Гайморит

Углекислый газ ядовит. Основные химические свойства углекислого газа

(IV), диоксид углерода или же двуокись углерода. Также его еще называют угольным ангидридом. Он является совершенно бесцветным газом, который не имеет запаха, с кисловатым вкусом. Углекислый газ тяжелее воздуха и плохо растворяется в воде. При температуре ниже - 78 градусов Цельсия кристаллизуется и становится похожим на снег.

Из газообразного состояния это вещество переходит в твердое, поскольку не может существовать в жидком состоянии в условиях атмосферного давления. Плотность углекислого газа в нормальных условиях составляет 1,97 кг/м3 - в 1,5 раза выше Диоксид углерода в твердом виде называется «сухой лед». В жидкое состояние, в котором его можно хранить длительное время, он переходит при повышении давления. Рассмотрим подробнее данное вещество и его химическое строение.

Углекислый газ, формула которого CO2, состоит из углерода и кислорода, а получается он в результате сжигания или гниения органических веществ. Оксид углерода содержится в воздухе и подземных минеральных источниках. Люди и животные тоже выделяют углекислый газ при выдыхании воздуха. Растения без освещения выделяют его, а во время фотосинтеза интенсивно поглощают. Благодаря процессу метаболизма клеток всех живых существ оксид углерода является одним из главных составляющих окружающей природы.

Этот газ не токсичен, но если он скапливается в большой концентрации, может начаться удушье (гиперкапния), а при его недостатке развивается противоположное состояние - гипокапния. Диоксид углерода пропускает и отражает инфракрасные. Он является который непосредственно влияет на глобальное потепление. Это происходит из-за того, что уровень его содержания в атмосфере постоянно растет, что и приводит к парниковому эффекту.

Диоксид углерода получают промышленным путем из дымных или печных газов, или же путем разложения карбонатов доломита и известняка. Смесь этих газов тщательно промывается специальным раствором, состоящим из карбоната калия. Далее она переходит в гидрокарбонат и при нагревании разлагается, в результате чего высвобождается углекислота. Углекислота (H2CO3) образуется из углекислого газа, растворенного в воде, но в современных условиях получают ее и другими, более прогрессивными методами. После того как углекислый газ очищен, его сжимают, охлаждают и закачивают в баллоны.

В промышленности это вещество широко и повсеместно применяется. Пищевики используют его как разрыхлитель (например, для приготовления теста) или в качестве консерванта (Е290). С помощью углекислого газа производят различные тонизирующие напитки и газировки, которые так любимы не только детьми, но и взрослыми. Диоксид углерода используют при изготовлении пищевой соды, пива, сахара, шипучих вин.

Углекислый газ применяется и при производстве эффективных огнетушителей. С помощью углекислого газа создается активная среда, необходимая при При высокой температуре сварочной дуги углекислый газ распадается на кислород и угарный газ. Кислород взаимодействует с жидким металлом и окисляет его. Углекислота в баллончиках применяется в пневматических ружьях и пистолетах.

Авиамоделисты используют это вещество в качестве топлива для своих моделей. С помощью углекислого газа можно значительно повысить урожайность культур, выращиваемых в оранжерее. Также в промышленности широко используется в котором продукты питания сохраняются значительно лучше. Его применяют в качестве хладагента в холодильниках, морозильных камерах, электрических генераторах и других теплоэнергетических установках.

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

Задача

Какой объем углекислого газа будет выделяться под действием 200 г 10% -ного раствора азотной кислоты на 90 г карбоната кальция, содержащего 8% примесей, нерастворимых в кислоте?

Решение

Раствор Молярная масса азотной кислоты и карбоната кальция, рассчитанная с использованием таблицы химических элементов D.I. Менделеева - 63 и 100 г / моль соответственно.

Запишем уравнение для растворения известняка в азотной кислоте:

CaCO3 + 2HNO3 → Ca (NO3) 2 + CO2 + H2O.

ω (CaCO3) cl = 100% - ωadmixture = 100% - 8% = 92% = 0,92.

Затем масса чистого карбоната кальция:

m (CaCO3) cl = mlimestone × ω (CaCO3) cl / 100%;

м (CaCO3) Cl = 90 × 92/100% = 82,8 г

Количество карбоната кальция:

n (CaCO3) = m (CaCO3) cl / M (CaCO3);

n (СаСО3) = 82,8 / 100 = 0,83 моль.

Масса азотной кислоты в растворе будет равна:

m (HNO3) = m (HNO3) раствор × ω (HNO3) / 100%;

м (HNO3) = 200 × 10/100% = 20 г.

Количество вещества азотной кислоты кальция:

n (HNO3) = m (HNO3) / M (HNO3);

n (HNO3) = 20/63 = 0,32 моль.

Сравнивая количество веществ, входивших в реакцию, мы определяем, что азотная кислота в дефиците, поэтому мы проводим дальнейшие расчеты для азотной кислоты. Согласно уравнению реакции n (HNO3): n (CO2) = 2: 1, поэтому n (CO2) = 1/2 × n (HNO3) = 0,16 моль. Затем объем углекислого газа будет равен:

V (CO2) = n (CO2) × Vm;

V (CO2) = 0,16 × 22,4 = 3,58 г.

Ответ

Объем двуокиси углерода - 3,58 г.

Задача

Задайте количество диоксида углерода весом 35 г

Решение

Раствор Масса вещества и его объем связаны между собой количеством вещества. Запишем формулы для расчета количества вещества по массе и объему:

Приравнивает выражения, написанные справа, и мы будем выражать объем:

V = m × Vm / M.

Рассчитайте объем двуокиси углерода из полученной формулы. Молярная масса диоксида углерода, рассчитанная с использованием таблицы химических элементов D.I. Менделеева - 44 г / моль.

V (CO2) = 35 × 22,4 / 44 = 17,82 л.

Ответ

Объем диоксида углерода - 17,82 литра.

Углекислый газ, или диоксид углерода (СО 2) жизненно необходим растениям. Углерод растения получают именно из СО 2 , в ходе процесса фотосинтеза, а атомы углерода являются основным строительным материалом для органических молекул. И аквариумные растения тут не исключение. При дефиците углекислого газа им будет просто не из чего строить свои ткани, что сильно замедлит или совсем прекратит их рост. С другой стороны, при избытке диоксида углерода в воде аквариума, рыбы начинают задыхаться даже тогда, когда содержание в ней кислорода велико. Происходит это из-за двух очень неприятных эффектов: Бора и Рута, которые обусловлены изменением свойств рыбьего гемоглобина при высоком содержании углекислого газа. Следовательно аквариумист, если только он хочет любоваться живыми, а не пластмассовыми растениями и рыбками, должен уметь поддерживать концентрацию СО 2 в воде своего аквариума в оптимальном диапазоне - таком, чтобы растения могли хорошо расти, а рыбы нормально дышать. О том, как это сделать будет рассказано в данной статье.

Для тех, кто не хочет вникать в суть дела, а хочет сразу получить ответ: оптимальное содержание углекислого газа в воде аквариума составляет 15 - 20 мг/л. А сколько СО 2 растворено в воде Вашего аквариума можно рассчитать по величинам и - КН. Чтобы ничего самому не считать , а только подставить определенные с помощью тестов значения рН и КН в нужные окошки и получить ответ, воспользуйтесь .
А надо ли вообще аквариумисту что-то измерять и затем что-то рассчитывать? Так ли уж необходимо "проверять алгеброй гармонию"? Ведь всё в природе способно к саморегуляции. Аквариум - это тоже по сути своей маленький "кусочек" природы и естественная гармония может установится в нем сама собой. В аквариуме нормальных (классических) пропорций с достаточным, но не чрезмерном количеством рыб, возникает естественным путем. Чтобы оно оставалось устойчивым, надо не , регулярно и не реже, чем раз в неделю примерно пятую часть объёма воды. И это действительно обеспечит стабильный биобаланс. В таком аквариуме рыбы в ходе своей жизнедеятельности будут выделять столько углекислого газа, аммиака и других веществ, сколько нужно для того, чтобы растения получали необходимое минеральное питание и не бедствовали. В свою очередь, хорошо себя чувствующие растения обеспечат рыб достаточным количеством кислорода. Начиная с последней четверти IXX века (со времён Н.Ф. Золотницкого) и на протяжении большей части века XX такие аквариумы были почти у всех аквариумистов и всё у них было хорошо. А что такое многие из них вообще не знали... Современная же аквариумистика без использования средств определения параметров аквариумной воды (без тестов) просто немыслима.
Что же изменилось? Технические возможности! С помощью специального оборудования мы стали обманывать природу. В маленькой стеклянной коробочке, которую по сути представляет собой типичный комнатный аквариум (а даже солидный для комнатного водоёма объем в 200-300 л сравнительно с природным водоемом очень мал) появилась возможность содержать такое количество живых организмов, которое никак не соизмеримо с естественными ресурсами в ней имеющимися. Взять хотя бы кислород: как естественным путем восполняются его запасы в воде? Про фотосинтез мы уже упомянули, но это днем, а ночью? Без перемешивания или аэрации воды с помощью технических устройств восполнение запасов кислорода в воде происходит очень медленно. Так в совершенно неподвижной воде аквариума у самой его поверхности - на глубине 0.5-1 мм - количество кислорода может быть вдвое большим, чем на глубине всего только нескольких сантиметров. Переход кислорода из воздуха в воду сам по себе происходит крайне неспешно. По вычислениям некоторых исследователей, молекула кислорода в силу одной лишь диффузии за сутки может углубиться не более чем на 2 см! Поэтому без помп и аэраторов, которых в стародавние времена не было, аквариумисту было просто невозможно заселить аквариум "лишними" рыбами - они бы задохнулись. Современное же оборудование позволяет содержать немыслимое по прежнем временам количество рыб, а яркие лампы очень плотно засадить аквариум и даже покрыть все его дно почвопокровными растениями!

Фото 1. Это фрагмент дна современного аквариума. Оно плотно засажено почвопокровными растениями: глоссостигмой (Glossostigma elatinoides), яванским мхом (Vesicularia dubyana) и риччией (Riccia fluitans). Последняя обычно плавает у поверхности, но можно добиться того (и тут это реализовано), чтобы она росла на дне. Для этого аквариум нужно ярко освещать и подавать в воду углекислый газ - СО 2 . Креветка Амано тоже не случайно попала в кадр, надо же кому аккуратно и бережно выбирать остатки корма из гущи рогулек.

Но нельзя забывать, что обманутая природа с того самого мига, как мы живыми организмами ни за что больше уже не отвечает! Устойчивая жизнеспособность такой системы теперь отнюдь не гарантирована. За тот экологический беспредел, который аквариумист устроил в своём аквариуме, в ответе будет он и только он. Даже незначительная его ошибка приведет к экологической катастрофе. А чтобы не ошибаться надо знать в чем нуждаются растения и рыбы и какие гидрохимические параметры воды им подходят. Своевременно контролируя , рН, КН, содержание в воде , , ионов калия и железа можно оперативно вмешиваться в работу перенаселенной и потому нестабильной системы, снабжая её недостающими ресурсами и удаляя избыточные отходы, которые аквариумный "биоценоз" сам не способен утилизировать. Одним из таких важнейших и необходимых для аквариума с живыми растениями ресурсов является углекислый газ - СО 2 .

Фото 2. Снимок сделан на . Это вид аквариума сзади. Искусственный задний фон здесь не предусмотрен. Его создадут растения, чрезвычайно плотно высаженные вдоль задней стенки. Для того, чтобы они могли расти не "задушив" друг друга использовано сразу несколько хитростей, основанных на аквариумных высоких технологиях. Это специальный многослойный не закисающий грунт, богатый доступными для растений минеральными веществами, очень яркий источник света со специально подобранным спектром, и конечно же устройство, обогащающее воду СО 2: баллон с редуктором, счетчик пузырьков, распылитель углекислого газа (реактор) - все произведено фирмой ADA.

Фото 3. Часть системы, обогащающей воду аквариума СО 2 , крупным планом. Снаружи крепится устройство, позволяющее визуально контролировать подачу газа в аквариум - счетчик пузырьков. Внутри расположен диффузор. Для наглядности, устроители семинара пустили газ очень сильно и от диффузора поднимается целый столб пузырьков. Столько углекислого газа аквариумным растениям не надо. В режиме нормальной работы, газа подается гораздо меньше. Таким образом, буйная растительность в "природном" аквариуме Такаси Амано не растет сама собой - для этого требуется специальное оборудование. Так что не такой уж этот аквариум "природный", он скорее техногенный!

В атмосфере земли СО 2 очень немного - всего 0.038%. В сухом атмосферном воздухе при стандартном барометрическом давлении (760 мм. рт. ст.) его парциальное давление составляет всего 0.23 мм. рт. ст. (0.038% от 760). Но и этого очень незначительного количества вполне достаточно, чтобы углекислый газ важным для аквариумиста образом обозначил своё присутствие. К примеру, дистиллированная или хорошо обессоленная вода, постояв в открытой таре достаточное время для того чтобы в ней растворились и пришли в равновесие с атмосферным воздухом газы из смеси которых этот воздух состоит, станет слегка кислой. Это произойдет потому, что в ней растворится углекислый газ.
При указанном выше парциальном давлении углекислого газа его концентрация в воде может достичь 0.6 мг в л, что приведет к снижению рН до значений близких к 5.6. Почему? Дело в том, что некоторые молекулы углекислого газа (не более 0.6%, но и этого достаточно для падения рН) взаимодействуют с молекулами воды с образованием угольной кислоты:

СО 2 +H 2 O <-> H 2 CO 3

Угольная кислота диссоциирует на ион водорода и гидрокарбонатный ион:

H 2 CO 3 <-> H + + HCO 3 -

Вот поэтому и происходит подкисление дистиллированной воды. Напомним, что как раз и отражает содержание ионов водорода в воде. Это отрицательный логарифм их концентрации.
В природе точно также . Поэтому даже в экологически чистых регионах, где в дождевой воде нет серной и азотной кислот, она все равно слегка кислая. Проходя затем через почву, где содержание углекислого газа во много раз выше, чем в атмосфере, вода еще больше им насыщается. Взаимодействуя затем с породами, содержащими известняк, такая вода переводит малорастворимый карбонат кальция в хорошо растворимый гидрокарбонат:

CaCO 3 + H 2 O + СО 2 <-> Ca(HCO 3) 2

Рис 1. Соотношение CO 3 2- , СО 2 и HCO 3 - при температуре 25 о С. Видно, что углекислый газ как таковой (свободная углекислота, или СО 2 ) может присутствовать в воде только в том случае, если рН<8,4 , а при значениях рН, меньших величины 4,3 вся растворенная в воде углекислота пред ставлена только свободным углекислым газом. При рН>8,4 свободной углекислоты в воде нет. Гидрокарбонатный ион (полусвязанная углекислота) присутствует в воде со значением показателя рН, большим чем 4,3, при рН=8,4 вся углекислота находится в полусвязанной форме ( HCO 3 - ). При рН>8,4 воде появляются ионы CO 3 2- (связанная углекислота) , концентрация которых растет вместе с увеличением показателя рН.
По материалам

Если в равновесную систему добавлять углекислый газ, то у глекислотно-известковое равновесие будет нарушено, что приведет к растворению карбонатов кальция и магния. Применительно к условиям аквариума, это означает, что начнут растворяться раковины у улиток, а также известковые грунт, камни и декорации - в таких случаях аквариумисты говорят - грунт " ". Немного забегая вперед, отмечу что "фонящие" грунты и декор непригодны для аквариумов с дополнительной подачей в воду СО 2 . А почему так, будет объяснено ниже.

Е сли тем или иным способом убрать СО 2 из равновесной системы, то из раствора, содержащего гидрокарбонаты, выпадет в виде осадка карбонат кальция. Так происходит, например, при кипячении воды (это известный способ снижения карбонатной жесткости , то есть концентрации в воде Ca(HCO 3) 2 и Mg(HCO 3) 2 . Этот же процесс наблюдается и при простом отстаивании артезианской воды, которая под землёй находилась при повышенном давлении и там в ней растворилось много СО 2 . Подобно газировке в открытой бутылке, оказавшись на поверхности, эта вода отдает лишний углекислый газ до тех пор пока его концентрация не будет соответствовать парциальному давлению СО 2 в окружающем воздухе. При этом в ней может появиться беловатая муть, состоящая из частичек известняка - СаСО 3 . Точно по такому же принципу образуются сталактиты и сталагмиты: сочащаяся из подземных пластов вода освобождается от лишнего углекислого газа и одновременно от карбонатов кальция и магния, которые осаждаются, увеличивая сталактит в размерах. И, по сути, эта же реакция происходит на листьях многих аквариумных растений, когда они активно фотосинтезируя на ярком свету, поглощают весь углекислый газ, растворенный в воде аквариума. Вот тут их листья начинают "седеть", так как они покрываются осадком из карбоната кальция (посмотреть, как это выглядит можно в ). Но раз из воды извлечен весь углекислый газ, то и угольной кислоты в ней больше нет. Если в воде отсутствуют в значимом количестве другие кислоты, то показатель рН должен подняться. Что и происходит. Активно фотосинтезирующие растения, потребив весь имевшийся в воде СО2, могут поднять рН аквариумной воды до 8,4. При таком показателе активной реакции воды в ней уже нет свободных молекул углекислого газа и угольной кислоты, поэтому растения для того, чтобы продолжать фотосинтезировать, вынуждены заниматься добычей диоксида углерода из гидрокарбонатов. Однако, это умеют делать не все виды аквариумных растений, хотя умеют многие.

Ca(HCO 3) 2 -> СО 2 (поглощается растением ) + CaCO 3 + H 2 O

Как правило, они не могут заметно поднять рН еще выше, так как дальнейший рост этого показателя сильно ухудшает функциональное состояние самих растений: фотосинтез, а следовательно изъятие СО 2 из воды аквариума замедляется, и находящийся в воздухе углекислый газ, растворяясь в воде, стабилизирует рН. Аквариумные растения, таким образом, могут буквально душить друг друга. Выигрывают те виды, что лучше извлекают диоксид углерода из гидрокарбонатов, а страдают не умеющие это делать, к примеру роталы, погостемоны и апоногетоны. Именно эти растения считаются у аквариумистов самыми нежными.

Фото 4. Водные растения в этом аквариуме не в лучшем состоянии. Долгое время он существовал в условиях острого дефицита углекислого газа, затем была организована его подача. Результаты очевидны. Свежая зелень макушек говорит сама за себя. Особенно сильно эффект подачи СО 2 заметен на роталах (Rotala macrandra). Лишенные свободного диоксида углерода, они почти погибли, о чем свидетельствуют оголившиеся участки стеблей, но ожили и дали красивые красноватые листья, очень быстро выросшие уже во время подачи углекислого газа.

Те растения, что могут извлекать СО 2 из гидрокарбонатов более живучи. К таковым относят рдесты, валлиснерию, эхинодорусы, наяс, роголистник. Однако густые заросли элодеи способны и их задушить. И все потому, что элодея может еще эффективнее извлекать связанный в гидрокарбонатах углекислый газ:

Ca(HCO 3) 2 -> 2СО 2 (поглощается растением ) + Ca(OH) 2

Этот процесс может привести к опасному не только для других растений, но и для подавляющего большинства аквариумных рыб росту значения рН аквариумной воды до 10.
В аквариумной воде с высокими значениями рН невозможно выращивание целого ряда растений, да и очень многим видам аквариумных рыб щелочная вода определенно не нравится: в ней они могут заболеть и бранхиомикозом. Есть даже особое незаразное заболевание рыб, которое вызывается щелочной водой - . Особенно губительны резкие суточные колебания значения рН, которые происходят при ярком освещении и вызваны активностью растений, добывающих углекислый газ из гидрокарбонатов.
Можно ли исправить положение, усилив аэрацию аквариума, в расчете на то, что благодаря высокой растворимости углекислого газа вода аквариума обогатится СО 2 ? Действительно, при нормальном атмосферном давлении и температуре 20°С в одном литре воды могло бы растворится 1.7 г углекислоты. Но это произошло бы только в том случае, если бы газовая фаза, с которой соприкасалась эта вода, целиком состояла бы из СО 2, то есть парциальное давление углекислого газа составляло бы все 760 мм ртутного столба. А при контакте с атмосферным воздухом, в котором содержится всего 0.038% СО 2 , в 1 л воды может перейти из этого воздуха только 0.6 мг - это и есть равновесная концентрация, соответствующая парциальному давлению углекислого газа в атмосфере на уровне моря. Если концентрация СО 2 в аквариумной воде ниже, то аэрация действительно её поднимет до 0.6 мг/л, но не более! Однако, обычно содержание углекислого газа в воде аквариума все же выше указанной величины и аэрация приведет лишь к потере СО 2 .
Проблему дефицита углекислого газа можно решить путем подачи его в аквариум, тем более, что это отнюдь не сложно. В этом деле можно обойтись даже без дорогого фирменного оборудования, а просто воспользоваться процессами спиртового брожения в сахарном растворе с дрожжами и некоторыми другими крайне нехитрыми устройствами.
Тут, однако, надо отдавать себе отчет в том, что этим мы обманываем природу ещё раз. Бездумное насыщение воды аквариума углекислым газом ни к чему хорошему не приведет. Так можно быстро уморить рыб, а затем и растения. Процесс подачи углекислоты должен находиться под строгим контролем. Установлено, что для рыб концентрация СО 2 в воде аквариума не должна превышать 30 мг/л. А в целом ряде случаев эту величину следует уменьшить хотя бы ещё на треть. Вспомним, что колебания величины рН для рыб и растений вредны, а сильная подача углекислого газа быстро закисляет воду.
Как оценить содержание СО 2 и добиться того, чтобы при подаче этого газа в аквариум значения рН колебались незначительно и оставались в приемлемом и для рыб и для растений диапазоне? Тут нам не обойтись без формул и математических расчетов: гидрохимия аквариумной воды, увы, тема довольно "сухая".
Взаимосвязь между концентрациями в воде пресноводного аквариума углекислого газа, ионов водорода и гидрокарбонатных ионов в диапазоне значений рН от 5 до 8,4 отражает уравнение Хендерсона-Хассельбаха , которое применительно к нашему случаю будет иметь вид:

/ = K1 (1)

Где К1 - кажущаяся константа диссоциации угольной кислоты по первой ступени, учитывающая равновесие ионов со всем количеством углекислого газа в воде - общей аналитически определяемой углекислотой (то есть, как просто растворенными молекулами СО 2 , так и гидратированными молекулами в форме угольной кислоты - Н 2 СО 3). Для температуры 25°С эта константа равна 4.45*10 -7 . Квадратные скобки обозначают .
Преобразование формулы даёт:

(2)

Величины рН и можно узнать с помощью стандартных аквариумных тестов на рН и КН. в аквариумной воде определяет тест на карбонатную жесткость: КН-тест. Следует отметить, что слово "жесткость" в его названии - всего лишь дань традиции. К определению концентраций ионов кальция и магния он прямого отношения не имеет. На самом деле КН-тест определяет щелочность воды (подробнее об этом рассказано в ). В обычном аквариуме, если в воду не добавляли буферные растворы типа КН+ и рН+ и гумматы, основной вклад в щелочность вносят именно гидрокарбонатные ионы, поэтому КН-тест вполне подходит для наших целей. Единственное неудобство его использования связано с необходимостью пересчитывать градусы, в которых он выдает результат, в молярные концентрации (М), что, впрочем, вовсе не сложно. Для этого достаточно величину карбонатной жесткости в градусах , полученную после выполнения процедуры тестирования, разделить на 2.804. Концентрацию ионов водорода, выраженную в величине показателя рН, также надо перевести в М, для этого надо 10 возвести в степень, равную величине рН с отрицательным знаком:

Для перевода рассчитанной по формуле (2) величины из М в мг/л СО 2 надо умножить её на 44000.
Нельзя забывать, что с помощью уравнения Хендерсона-Хассельбаха можно рассчитать концентрацию общей аналитически определяемой углекислоты в аквариуме в том случае, если для стабилизации рН аквариумист не использовал специальных реактивов и содержание гуминовых и прочих органических кислот в его аквариуме умеренное (с достаточной для любителя степенью точности об этом можно судить по цвету аквариумной воды: если она не похожа на " " Амазонии, то есть бесцветна или окрашена только чуть-чуть - значит их там немного).
Те, кто на короткой ноге с компьютером, в частности с электронными таблицами Exel, могут на основе приведенной выше формулы и величины К1 составить подробные таблицы, отражающие содержание углекислоты в зависимости от карбонатной жесткости и рН. Мы же приведем тут сокращенный, но, надеемся, полезный для аквариумистов-любителей вариант такой таблицы и , позволяющий автоматически рассчитать содержание углекислого газа в воде:

Минимальные значения рН воды в аквариуме для заданной карбонатной жесткости, при которых содержание углекислого газа еще не опасно для рыб (красные цифры в столбцах ), и максимально допустимые величины рН при которых растения, не умеющие добывать СО 2 из гидрокарбонатов, хотя и медленно, но еще растут (зелёные цифры в столбцах ). Для 25°С.

Карб. жестк. KH	0,5	1	2	3	4	5	6-7	8-9	10-11	12-13
Моль/л	0,18	0,36	0,71	1,07	1,43	1,78	2,14-2,5	2,85-3,21	3,57-3,92	4,28-5,35
min рН для рыб (25-28 мг/л СО 2)	5,8	6,1	6,4	6,6	6,7	6,8	6,9	7,0	7,1	7,2
max рН для растений (6-7 мг/л СО 2)	6,4	6,7	7,0	7,2	7,3	7,4	7,5	7,6	7,7	7,8
"Естественный" рН (2-3 мг/л СО 2)	6,8	7,1	7,4	7,6	7,7	7,8	7,9	8,0	8,1	8,2
рН, соответствующий парциальному давлению углекислого газа в атмосфере (0,6 мг/л СО 2)	7,4	7,7	8,0	8,2	8,3	8,4	_	_	_	_

Если Вы решили подавать углекислый газ, то воспользуйтесь этой таблицей для определения оптимального значения рН. Выберите столбец, соответствующий карбонатной жесткости воды в Вашем аквариуме. Отрегулируйте поступление СО 2 так, чтобы величина рН попадала в интервал между красными и зелеными цифрами. К примеру, если КН в аквариуме равен 4, то интервал дупустимых значений рН составит 6,7 - 7,3 . При рН= 6,7 концентрация углекислого газа в воде будет около 28 мг/л - это почти предельная величина для рыбок и очень комфортная для растений. Если концентрацию СО 2 еще немного увеличить (значение рН при этом станет меньше, чем "красная" цифра), то рыбки могут погибнуть. При рН=7,3 рыбкам, даже самым нежным, не грозит отравиться углекислым газом, так как его содержание будет для них абсолютно безопасным: всего лишь около 7 мг/л. Этой концентрации достаточно и для выживания растений, однако бурного роста они демонстрировать не будут. А вот при значениях показателя рН из середины интервала допустимых значений, например при 6,9 (концентрация СО2 будет при этом примерно 17 мг/л), отлично будут себя чувствовать и рыбы, и растения. Поддерживать такие значения как раз и нужно стремиться. Для этого уменьшают подачу СО 2 , если величина рН стремится к нижней границе и увеличивают , если она приближается к верхней . В ходе светового дня активная реакция воды обычно постепенно изменяется, так как количество подаваемого углекислого газа редко точно соответствует потребностям растений: концентрация газа или медленно растет, или падает. Исходная настройка на середину интервала будет способствавать тому, чтобы величина рН не выскочила за его границы. Если подача СО 2 регулируется рН-контроллером, автоматически перекрывающим подачу углекислого газа при снижении рН до заранее заданного уровня, то этот уровень должен быть выставлен так, чтобы он не был ниже допустимого для рыб (красные цифры в таблице). Использование рН-контроллера наиболее эффективно и безопасно, но сам он стоит относительно дорого, а входящий в комплект рН-электрод нуждается в ежемесячной калибровке.

Организовать подачу СО 2 в аквариум можно не только с помощью баллона, наполненного СО 2 , но также и с помощью специальных таблеток, помещаемых в аквариум в особом устройстве (Производство SERA), с помощью брагогенератора, с помощью электронного устройства, вырабатывающего углекислый газ из угольного картриджа и еще одного нехитрого устройства. В простейшем варианте с целью насыщения воды углекислым газом можно в начале светового дня подливать в аквариум слабоминерализованную газированную воду (естественно без пищевых добавок!). В небольших аквариумах это может дать видимый положительный эффект.

В таблице также указаны величины рН, которые при заданной карбонатной жесткости приобретает хорошо аэрируемая вода в комнатном аквариуме ("естественный" уровень рН), в том случае если он умеренно заселен рыбами и если окисляемость воды в нём не высока. Иными словами, если подачу углекислого газа в аквариум вдруг прекратить, а аэрацию включить "на полную", то можно ожидать, что рН воды в течение нескольких часов возрастет примерно до этих величин. Как видно из таблицы, перепад от нижней границы допустимого интервала до "естественного" уровня рН примерно равен 1. Для нежных видов креветок, рыбок и растений он может оказаться слишком сильным и, если не вызовет их гибель, то угнетающее действие окажет. Автоматический контроллер рН таких перепадов не допускает, но если контроллера нет, то они вполне вероятны. Поэтому, если на ночь Вы прекращаете подавать СО 2 в аквариум и включаете аэрацию, то будьте осторожны: рН может слишко резко вырасти. Чтобы этого не допустить, не настраивайте подачу углекислого газа так, чтобы величина показателя рН была вблизи нижней ("красной") границы допустимого интервала, ведь вполне достаточно держаться его середины и тогда перепад дневных и ночных значений рН не превысит 0,5, что совершенно безопасно. Сильная аэрация ночью также далеко не всегда бывает нужна. Но только наблюдения за аквариумом позволят установить необходима ли она (во многих случаях потока воды от помпы фильтра вполне хватает для обеспечения достаточного газообмена).
Цифры в последней строке этой таблицы - это рН воды заданной карбонатной жесткости, находящейся в равновесии с парциальным давлением СО 2 в атмосфере. Видно, что они еще выше. В природных водоемах, в порогах чистых рек, где вода бурлит и отдает в атмосферу весь лишний (неравновесный) углекислый газ, такие значения рН действительно имеют место. В помещениях же и парциальное давление углекислоты в воздухе выше, чем на открытом воздухе, и процессы, идущие в грунте и фильтре аквариума, приводят к образованию углекислого газа. Это обеспечивает большее, чем в естественных условиях, содержание СО 2 в воде аквариумов и вода в них при той же карбонатной жесткости оказывается более кислой.
Теперь разберем еще один важный вопрос: при каких исходных значениях рН воды в аквариуме в него можно подавать углекислый газ? Для этого вновь обратимся к рисунку 1 и нашей полезной табличке. Вспомним, что у гольная кислота, которая образуется при растворении атмосферного углекислого газа в воде, снижает рН дистиллированной воды, КН которой близко к 0, до 5.6, а вода с карбонатной жесткостью, к примеру, равной 5 kH, находясь в равновесии с атмосферными газами, имеет активную реакцию 8.4. Легко прослеживается такая закономерность: чем выше карбонатная жесткость воды, тем она более щелочная. Как видно из рисунка, при величинах рН, больших 8,4 в воде присутствуют карбонатные ионы(CO 3 2- ), которые реагируя со свободным углекислым газом, будут переводить его полусвязанную форму (HCO 3 - ), недоступную для нежных видов аквариумных растений. Мы будем расходовать углекислый газ зря. По этой же причине не подойдут для аквариума-травника и " " грунты. Подавая в аквариум с таким грунтом углекислый газ, мы опять же будем его расходовать на образование гидрокарбонатных ионов - HCO 3 - . Кроме того, высокие значения рН в принципе угнетают жизнедеятельность многих видов аквариумных растений, но зато отлично способствуют . Если у Вас дома из-под крана идет вода с высоким значением рН и, следовательно, с высокой карбонатной жесткостью, то для аквариума-травника с дополнительной подачей углекислого газа она не подходит. Придется использовать установку обратного осмоса для снижения ее минерализации и о том, как это сделать .

Итак, вода с высоким значением рН не подходит. А с низким? Тоже не подходит, так как при этом и карбонатная жесткость также слишком низкая. Объясним почему и это плохо. Из рисунка видно, что при рН=6,4 концентрации свободного углекислого газа и гидрокарбонатного иона примерно равны и они при низкой "карбонатке" совсем невелики - это хорошо видно из таблички: КН=0,5 , рН=6,4 , а содержание СО 2 при этом всего 6 мг/л - этого достаточно лишь для выживая нежных растений. Насыщение воды углекислотой до комфортной для них концентрации 28 мг/л приведет к падению рН до 5,8. Для многих рыб такое значение показателя рН - опасный предел - ниже падать уже нельзя, иначе из-за рыбы начнут испытывать недостаток кислорода и погибать. Однако вся штука в том, что при низкой карбонатной жесткости упасть ниже этого предела до чрезвычайности просто: легкая передозировка СО 2 и все!
Таким образом, теория подсказывает нам, что диапазон значений карбонатной жесткости, наиболее подходящий для аквариума-травника с дополнительной подачей углекислого газа лежит в пределах 2-4 о КН. Это же подтверждено и практическим опытом аквариумистов. Теория и практика в этом вопросе единодушны. Действительно, при оптимальных для рыб и растений концентрациях СО 2 , (это 15 - 20 мг/л), значения показателя рН будут в пределах 6,6 - 6,7 , если больше заботиться о растениях нежели о рыбках, то можно опустить рН и до 6,4. Такая величина рН еще не вызовет отравления () у рыб, подходящих для травника с СО 2 , некомфортна для водорослей и хороша для многих аквариумных растений.

Видео 1. Пример из жизни аквариумной. Аквариум на 300 л с красными неонами, отоцинклюсами, креветками вишнями и "Аманками", там еще и апистограммы Виджета есть (в кадр не попали). Карбонатная жесткость воды в этом аквариуме ниже, чем оптимальная для подачи углекислого газа, и это ограничивает максимально допустимую концентрацию СО 2 величиной 14 мг/л. При карбонатной жесткости KH=1 я не рискую более увеличивать содержание СО2, так как это привело бы к падению показателя рН ниже значения 6,4. Красные неоны легко бы это понижение пережили, а вот в отношении других обитаталелей аквариума у меня такой уверенности нет. Но надо признать, что и 14 мг/л очень хорошо способствует росту растений, хотя "пузыряет" только нимфея, на ротале "Вьетнам" пузырей почти нет. Для того, чтобы они появились, надо еще чуть-чуть подбавить газку..., но нельзя. Будь КН=2, при рН=6,4 содержание углекислого газа составило бы уже 28 мг/л. При такой концентрации роталы пузыряли бы вовсю. СО 2 в этом аквариуме растворяется при помощи флиппера от Деннерле () - "лесенки" , которая работает очень эффективно.

Какое оборудование нужно для подачи углекислого газа в аквариум? Тут лучше всего обратиться к практическому опыту наших форумчан. Читайте:

* Классические пропорции аквариума таковы: ширина равна или не более чем на четверть меньше высоты. Высота не превышает 50 см. Длинна же, в принципе, не ограничена. В качестве примера можно привести аквариум длинной 1 м, шириной 40 см и высотой 50 см. Биологическое равновесие в таком комнатном водоёме установится относительно легко. О конкретных моделях аквариумов с правильными пропорциями можно прочитать .

** Под равновесием с атмосферным воздухом мы понимаем такое состояние воды, когда концентрации (напряжения) растворенных в ней газов соответствуют парциальным давлениям этих газов в атмосфере. Если давление какого-либо газа уменьшится, то молекулы этого газа начнут покидать воду, до тех пор пока снова не будет достигнута равновесная концентрация. И наоборот, если парциальное давление газа над водой увеличится, то большее количество этого газа растворится в воде.

. Это СО2-система для аквариумов объемом до 120 л. В комплекте: реакционный баллон для производства СО2 с контролируемым гелем, стартовая капсула, термоконтейнер, реактор СО2 Dennerle Mini-Flipper, СО2-шланг, счетчик пузырьков, комплект удобрений Dennerle PerfectPlant SystemSet.

О том, зачем и как надо управлять содержанием углекислого газа в аквариуме.
Известно, что углекислый газ жизненно необходим растениям. Ассимилированный в ходе процесса фотосинтеза СО2 является основным строительным материалом для синтеза органических молекул. И аквариумные растения тут не исключение. При дефиците углекислого газа им будет просто не из чего строить свои ткани, что сильно замедлит или совсем прекратит их рост. С другой стороны, при избытке углекислоты в воде аквариума рыбы начинают задыхаться даже тогда, когда содержание в ней кислорода велико (Эффект Рута). Следовательно аквариумист, если только он хочет любоваться живыми, а не пластмассовыми растениями и рыбами, должен уметь поддерживать концентрацию углекислого газа в воде в оптимальном диапазоне.

С достаточной точностью аквариумист-любитель может определить содержание углекислоты в воде аквариума расчетным путем, если он знает величину показателя рН и карбонатную жесткость воды, о чём и будет рассказано в настоящей статье. Но сначала надо дать ответ на такой вопрос: а надо ли вообще аквариумисту что-то измерять и затем что-то рассчитывать? Так ли уж необходимо "проверять алгеброй гармонию"? Ведь всё в природе способно к саморегуляции. Аквариум – это тоже по сути своей маленький "кусочек" природы и он не представляет собой исключения из этого правила. В аквариуме нормальных (классических)* пропорций с достаточным, но не большим количеством рыб, нужные параметры воды обычно устанавливаются сами собой. Чтобы в дальнейшем они не отклонялись от нормы, надо не перекармливать рыбу, регулярно и не реже, чем раз в две недели подменивать примерно четверть или треть объёма воды. И этого действительно будет достаточно. Рыбы в ходе своей жизнедеятельности выделяют достаточное количество углекислоты, нитратов и фосфатов для того, чтобы растения не бедствовали. В свою очередь растения обеспечивают рыб достаточным количеством кислорода. Начиная с последней четверти XIX века (со времён Н.Ф. Золотницкого) и на протяжении большей части века XX так поступали почти все аквариумисты. Всё у них было хорошо, а что такое аквариумные тесты многие из них вообще не знали…

Современная же аквариумистика без использования средств определения параметров аквариумной воды просто немыслима. Что же изменилось?

Технические возможности! С помощью специального оборудования мы стали обманывать природу. В маленькой стеклянной коробочке, которую по сути представляет собой типичный комнатный аквариум (а даже солидный для комнатного водоёма объем в 200-300 л сравнительно с природным водоемом очень мал) появилась возможность содержать такое количество живых организмов, которое никак не соизмеримо с естественными ресурсами в ней имеющимися. К примеру, в совершенно неподвижной и ничем не перемешиваемой воде аквариума у самой его поверхности на глубине 0.5-1 мм количество кислорода может быть вдвое большим, чем на глубине всего только нескольких сантиметров. Переход кислорода из воздуха в воду сам по себе происходит очень медленно. По вычислениям некоторых исследователей, молекула кислорода в силу одной лишь диффузии за сутки может углубиться не более чем на 2 см! Поэтому без технических средств, перемешивающих или аэрирующих воду, аквариумисту просто невозможно заселить аквариум "лишними" рыбами. Современное аквариумное оборудование позволяет посадить в аквариум и некоторое время успешно содержать в нем немыслимое по прежнем временам количество рыб, а яркие лампы очень плотно засадить аквариум растениями и даже покрыть его дно густым слоем ричии!

Это фрагмент дна аквариума. Оно плотно засажено почвопокровными растениями: глоссостигмой (Glossostigma elatinoides), яванским мхом (Vesicularia dubyana) и риччией (Riccia fluitans). Последняя обычно плавает у поверхности, но можно добиться того, чтобы она росла на дне. Для этого аквариум нужно ярко освещать и подавать в воду углекислый газ.
Креветка Амано тоже не случайно попала в кадр, надо же кому аккуратно и бережно выбирать остатки корма из гущи рогулек
Но нельзя забывать, что обманутая природа с того самого мига, как мы сверхплотно заселили аквариум живыми организмами ни за что больше уже не отвечает! Устойчивая жизнеспособность такой системы теперь отнюдь не гарантирована. За тот экологический беспредел, который аквариумист устроил в своём аквариуме, в ответе будет он и только он. Даже незначительная его ошибка приведет к экологической катастрофе. А чтобы не ошибаться надо знать как и почему изменяются хотя бы основные параметры воды. Своевременно их контролируя можно оперативно вмешиваться в работу перенаселенной и потому нестабильной системы, снабжая её недостающими ресурсами и удаляя избыточные отходы, которые аквариумный "биоценоз" сам не способен утилизировать. Одним из таких необходимых для аквариума с живыми растениями ресурсом является углекислый газ.

Снимок сделан на семинаре, проведенном Такаси Амано в Москве в 2003 г. Это вид аквариума сзади. Искусственный задний фон здесь не предусмотрен. Его создадут растения, чрезвычайно плотно высаженные вдоль задней стенки. Для того, чтобы они могли вырасти не "задушив" друг друга использовано сразу несколько хитростей, основанных на аквариумных высоких технологиях. Это специальный многослойный не закисающий грунт, богатый доступными для растений минеральными веществами, очень яркий источник света со специально подобранным спектром, и конечно же устройство, обогащающее воду CO2 (все произведено фирмой ADA)

Часть системы, обогащающей воду аквариума углекислотой крупным планом. Снаружи крепится устройство, позволяющее визуально контролировать подачу пузырьков газа в аквариум. Внутри расположен диффузор. Для наглядности, устроители семинара пустили газ очень сильно и от диффузора поднимается целый столб пузырьков. Столько углекислого газа аквариумным растениям не надо. В режиме нормальной работы, когда газа подается гораздо меньше, пузырьков почти не должно быть видно, так как углекислый газ быстро растворяется в воде. Таким образом, буйная растительность в "природном" аквариуме Такаси Амано не растет сама собой – для этого требуется специальное оборудование. Так что не такой уж этот аквариум "природный", он скорее техногенный!

В атмосфере земли СО2 очень немного – всего 0.03%. В сухом атмосферном воздухе при стандартном барометрическом давлении (760 мм. рт. ст.) его парциальное давление составляет всего 0.2 мм. рт. ст. (0.03% от 760). Но и этого очень незначительного количества вполне достаточно, чтобы он значимым для аквариумиста образом обозначил своё присутствие. К примеру, дистиллированная или хорошо обессоленная вода, постояв в открытой таре достаточное время для того чтобы успеть прийти в равновесие с атмосферным воздухом**, станет слегка кислой. Это произойдет потому, что в ней растворится углекислый газ.

При указанном выше парциальном давлении углекислого газа его концентрация в воде может достичь 0.6 мг в л, что приведет к падению рН до значений близких к 5.6. Почему? Дело в том, что некоторые молекулы углекислого газа (не более 0.6%) взаимодействуют с молекулами воды с образованием угольной кислоты:
CO2+H2O H2CO3
Угольная кислота диссоциирует на ион водорода и гидрокарбонатный ион: H2CO3 H+ + HCO3-
Этого оказывается достаточно для подкисления дистиллированной воды. Напомним, что показатель рН (активная реакция воды) как раз и отражает содержание ионов водорода в воде. Это отрицательный логарифм их концентрации.

В природе точно также подкисляются капли дождя. Поэтому даже в экологически чистых регионах, в которых в дождевой воде нет серной и азотной кислот, она все равно слегка кислая. Проходя затем через почву, где содержание углекислого газа во много раз выше, чем в атмосфере, вода еще больше насыщается углекислотой.

Взаимодействуя затем с породами, содержащими известняк, такая вода переводит карбонаты в хорошо растворимые гидрокарбонаты:

CaCO3 + H2O + CO2 Ca(HCO3)2

Эта реакция обратима. Она может быть смещена в право или влево в зависимости от концентрации углекислого газа. Если содержание СО2 достаточно продолжительное время остается стабильным, то в такой воде устанавливается углекислотно-известковое равновесие: новых гидрокарбонатных ионов не образуется. Если тем или иным способом убрать СО2 из равновесной системы, то она сдвинется влево, и из раствора, содержащего гидрокарбонаты выпадет в виде осадка практически нерастворимый карбонат кальция. Так происходит, например, при кипячении воды (это известный способ снижения карбонатной жесткости, то есть концентрации в воде Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2). Этот же процесс наблюдается и при простом отстаивании артезианской воды, которая под землёй находилась при повышенном давлении и там в ней растворилось много углекислоты. Оказавшись на поверхности, где парциальное давление СО2 мало, эта вода отдает лишний углекислый газ в атмосферу до тех пор пока не придет с ней в равновесие. При этом в ней появляется беловатая муть, состоящая из частичек известняка. Точно по такому же принципу образуются сталактиты и сталагмиты: сочащаяся из подземных пластов вода освобождается от лишней углекислоты и одновременно от карбонатов кальция и магния. И по сути эта же реакция происходит на листьях многих аквариумных растений, когда они активно фотосинтезируют на ярком свету, а углекислый газ в замкнутом пространстве аквариума заканчивается. Вот тут их листья начинают "седеть", так как они покрываются корочкой карбоната кальция.Но раз из воды извлекается вся свободная углекислота, то и рН при этом неумолимо растёт. Обычно растения могут поднять рН аквариумной воды до 8.3-8.5. При таком показателе активной реакции воды в ней почти совсем нет молекул углекислого газа и растения (те виды, что умеют это делать, а умеют многие) занимаются добычей углекислоты из бикарбонатов.

Ca(HCO3)2 –> CO2 (поглощается растением) + CaCO3 + H2O

Как правило, они не могут поднять рН еще выше, так как его дальнейший рост сильно ухудшает функциональное состояние самих растений: фотосинтез, а следовательно изъятие СО2 из системы замедляется, и находящийся в воздухе углекислый газ, растворяясь в воде, стабилизирует рН. Аквариумные растения, таким образом, могут буквально душить друг друга. Выигрывают те виды, что лучше извлекают углекислоту из гидрокарбонатов, а страдают не умеющие это делать, к примеру, роталы и апоногетоны мадагаскарской группы. Именно такие растения считаются у аквариумистов самыми нежными.

Водные растения в этом аквариуме не в лучшем состоянии. Долгое время он существовал в условиях острого дефицита углекислого газа, затем была организована его подача. Результаты очевидны. Свежая зелень макушек говорит сама за себя. Особенно сильно эффект подачи углекислоты заметен на роталах (Rotala macrandra). Они почти погибли, о чем свидетельствуют почти полностью лишенные листьев нижние участки стеблей, но ожили и дали красивые красноватые листья, очень быстро выросшие уже во время подачи газа

Те растения, что могут расщеплять гидрокарбонаты более живучи. К таковым относят рдесты, валлиснерию, эхинодорусы. Однако густые заросли элодеи способны и их задушить. Элодея может еще эффективнее извлекать связанную в гидрокарбонатах углекислоту:
Ca(HCO3)2 –> 2CO2(поглощается растением) + Ca(OH)2
Если карбонатная жесткость воды достаточно велика, то этот процесс может привести к опасному не только для других растений, но и для подавляющего большинства аквариумных рыб росту значения рН аквариумной воды до 10. В аквариумной воде с высокими значениями рН невозможно выращивание целого ряда растений, да и очень многим видам аквариумных рыб щелочная вода определенно не нравится.

Можно ли исправить положение усилив аэрацию аквариума в расчете на то, что благодаря высокой растворимости углекислого газа вода аквариума обогатится СО2? Действительно, при нормальном атмосферном давлении и температуре 20°С в одном литре воды могло бы растворится 1.7 г углекислоты. Но это произошло бы только в том случае, если бы газовая фаза с которой соприкасалась эта вода целиком состояла бы из СО2. А, при контакте с атмосферным воздухом, в котором содержится всего 0.03% СО2 в 1 л воды может перейти из этого воздуха только 0.6 мг – это и есть равновесная концентрация, соответствующая парциальному давлению углекислого газа в атмосфере на уровне моря. Если содержание углекислоты в аквариумной воде ниже, то аэрация действительно его поднимет до концентрации 0.6 мг/л и не более! Но обычно содержание углекислого газа в воде аквариума все же выше указанной величины и аэрация приведет лишь к потере СО2.

Проблему можно решить искусственно подавая в аквариум углекислый газ, тем более, что это отнюдь не сложно. В этом деле можно обойтись даже без фирменного оборудования, а просто воспользоваться процессами спиртового брожения в сахарном растворе с дрожжами и некоторыми другими крайне нехитрыми устройствами, о которых мы вскоре расскажем.

Тут, однако, надо отдавать себе отчет в том, что этим мы обманываем природу ещё раз. Бездумное насыщение воды аквариума углекислым газом ни к чему хорошему не приведет. Так можно быстро уморить рыб, а затем и растения. Процесс подачи углекислоты должен находиться под строгим контролем. Установлено, что для рыб концентрация СО2 в воде аквариума не должна превышать 30 мг/л. А в целом ряде случаев эта величина должна быть хотя бы ещё на треть меньше. Вспомним, что и сильные колебания величины рН для рыб также вредны, а дополнительная подача углекислого газа быстро закисляет воду.

Как оценить содержание СО2 и добиться того, чтобы при насыщении воды этим газом значения рН колебались незначительно и оставались в приемлемом для рыб диапазоне? Тут нам будет не обойтись без формул и математических расчетов: гидрохимия аквариумной воды, увы, тема довольно "сухая".

Взаимосвязь между концентрациями в воде пресноводного аквариума углекислого газа, ионов водорода и гидрокарбонатных ионов отражает уравнение Хендерсона-Хассельбаха, которое применительно к нашему случаю будет иметь вид:
/ = K1
где К1 – кажущаяся константа диссоциации угольной кислоты по первой ступени, учитывающая равновесие ионов со всем количеством углекислого газа в воде – общей аналитически определяемой углекислотой (то есть, как просто растворенными молекулами СО2, так и гидратированными молекулами в форме угольной кислоты - Н2СО3). Для температуры 25°С эта константа равна 4.5*10-7. Квадратные скобки обозначают молярные концентрации.

Преобразование формулы даёт:

Величины рН и можно определить с помощью стандартных аквариумных тестов. Следует отметить, что KH-тест определяет именно содержание гидрокарбонатных ионов в воде (а не ионов кальция) и подходит для наших целей. Единственное неудобство его использования связано с необходимостью пересчитывать градусы в М, что, впрочем, вовсе не сложно. Для этого достаточно величину карбонатной жесткости, полученную после выполнения процедуры тестирования в градусах, разделить на 2.804. Концентрацию ионов водорода, выраженную в рН также надо перевести в М, для этого надо 10 возвести в степень равную величине рН с отрицательным знаком:

Для перевода рассчитанной по формуле (2) величины из М в мг/л СО2 надо умножить её на 44000.

С помощью уравнения Хендерсона-Хассельбаха можно рассчитать концентрацию общей аналитически определяемой углекислоты в аквариуме в том случае, если для стабилизации рН аквариумист не использовал специальных реактивов и содержание гуминовых и прочих органических кислот в его аквариуме умеренное (с достаточной для любителя степенью точности об этом можно судить по цвету аквариумной воды: если она не похожа на "чёрные воды" Амазонии, бесцветна или окрашена только чуть-чуть - значит их там немного).

Те, кто на короткой ноге с компьютером, в частности с электронными таблицами Exel, могут на основе приведенной выше формулы и величины К1 составить подробные таблицы, отражающие содержание углекислоты в зависимости от карбонатной жесткости и рН. Мы же приведем тут сокращенный, но, надеемся, полезный для аквариумистов-любителей вариант такой таблицы, позволяющий тут же автоматически рассчитать содержание углекислого газа в воде:
Минимальные значения рН воды в аквариуме для заданной карбонатной жесткости, при которых содержание углекислоты еще не опасно для рыб (красные цифры в столбцах), и максимально допустимые величины рН при которых у растений, не умеющих добывать углекислоту из гидрокарбонатов ещё достаточно эффективно идёт фотосинтез. Для 25°С.

Если вы решили подавать углекислый газ в аквариум, то отрегулируйте его подачу так, чтобы величины рН для соответствующей карбонатной жесткости попадали в интервал между красными и зелеными цифрами. В ходе светового дня активная реакция воды будет изменяться (обычно рН повышается) и это обстоятельство надо учесть при настройке оборудования. Пытайтесь настроиться на середину интервала, тогда величина рН скорее всего не выскочит за его границы. Если подача СО2 регулируется рН-контроллером, перекрывающим подачу газа при снижении рН до заранее заданного уровня, то этот уровень не должен быть ниже минимально допустимого для рыб. Использование рН-контроллера наиболее эффективно и безопасно, но сам он стоит относительно дорого.

На переднем плане этой фотографии еще одна ротала (Rotala wallichii). Слева - маяка речная (Mayaca fluviatilis). Она тоже любительница свободного углекислого газа в воде. При подходящем освещении и содержании углекислоты в аквариуме порядка 15-20 мг/л эти водные растения покрывается пузырьками кислорода, настолько эффективно идет фотосинтез

Кроме того, подкормить растения СО2 можно с помощью специальных таблеток, помещаемых в аквариум в особом устройстве. Они постепенно отдают в воду углекислоту. С этой же целью можно в начале светового дня подливать в аквариум слабоминерализованную газированную воду (естественно без пищевых добавок!). Приведенные в этой статье таблица и калькулятор помогут оценить насколько эти меры эффективны.

В таблице также указаны величины рН, которые при заданной карбонатной жесткости приобретает хорошо аэрируемая вода в комнатном аквариуме, в том случае если он умеренно заселен рыбами и если окисляемость воды в нём не высока. Иными словами, если подача углекислоты в аквариум вдруг прекратится, то можно ожидать, что рН воды в течение нескольких часов возрастет примерно до этих величин. Цифры в последней строке этой таблицы – это рН воды заданной карбонатной жесткости находящейся в равновесии с атмосферой. Видно, что они еще выше. В природных водоемах, в порогах чистых рек, где вода бурлит и отдает в атмосферу весь лишний (неравновесный) углекислый газ, такие значения рН действительно имеют место. В помещениях же и парциальное давление углекислоты в воздухе выше, чем на открытом воздухе, и процессы, идущие в грунте и фильтре аквариума приводят к образованию углекислого газа и ионов водорода. Всё это обеспечивает большее, чем в естественных условиях содержание углекислоты в воде аквариумов и вода в них при той же карбонатной жесткости оказывается более кислой.

Теперь обратим внимание на такой факт. Угольная кислота, которая образуется при растворении атмосферного углекислого газа в воде снижает рН дистиллированной воды до 5.6, а вода с карбонатной жесткостью, к примеру, равной 5 kH, находясь в равновесии с атмосферными газами, имеет активную реакцию 8.4. Легко прослеживается такая закономерность: чем выше карбонатная жесткость воды, тем она более щелочная. Вообще-то это правило известно многим, но не все аквариумисты отдают себе отчёт в том, что речь идет именно о карбонатной жесткости. Действительно, если иметь дело только с природными пресными водами, в которых карбонатная жесткость, как правило, вносит весьма значительный вклад в общую, об этом можно и не задумываться, но вот в искусственно приготовленной воде все может быть по-другому. Например, добавление хлористого кальция поднимет жесткость воды, но не рН. То, что природные воды обычно имеют слабощелочную активную реакцию связано именно с наличием в них гидрокарбонатных ионов. Вместе с растворенной в воде углекислотой, они образуют углекислотно-гидрокарбонатную буферную систему, которая тем сильнее стабилизирует рН воды в области щелочных значений, чем выше концентрация гидрокарбонатов (карбонатная жесткость). Чтобы понять почему так происходит и выбрать оптимальные для аквариума значения карбонатной жесткости надо снова обратиться к формуле Хендерсона-Хассельбаха.

В.Ковалёв,

*Классические пропорции аквариума таковы: ширина равна или не более чем на четверть меньше высоты. Высота не превышает 50 см. Длинна же, в принципе, не ограничена. В качестве примера можно привести аквариум длинной 1 м, шириной 40 см и высотой 50 см. Биологическое равновесие в таком комнатном водоёме установится относительно легко.

**Под равновесием с атмосферным воздухом мы понимаем такое состояние воды, когда концентрации (напряжения) растворенных в ней газов соответствуют парциальным давлениям этих газов в атмосфере. Если давление какого-либо газа уменьшится, то молекулы этого газа начнут покидать воду, до тех пор пока снова не будет достигнута равновесная концентрация. И наоборот, если парциальное давление газа над водой увеличится, то большее количество этого газа растворится в воде

Углекислый газ бесцветный газ с едва ощутимым запахом не ядовит, тяжелее воздуха. Углекислый газ широко распространен в природе. Растворяется в воде, образуя угольную кислоту Н 2 CO 3 , придает ей кислый вкус. В воздухе содержится около 0,03% углекислого газа. Плотность в 1,524 раза больше плотности воздуха и равна 0,001976 г/см 3 (при нулевой температуре и давлении 101,3 кПа). Потенциал ионизации 14,3В. Химическая формула – CO 2 .

В сварочном производстве используется термин «углекислый газ» см. . В «Правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением» принят термин «углекислота» , а в - термин «двуокись углерода» .

Существует множество способов получения углекислого газа, основные из которых рассмотрены в статье .

Плотность двуокиси углерода зависит от давления, температуры и агрегатного состояния, в котором она находится. При атмосферном давлении и температуре -78,5°С углекислый газ, минуя жидкое состояние, превращается в белую снегообразную массу «сухой лед» .

Под давлением 528 кПа и при температуре -56,6°С углекислота может находиться во всех трех состояниях (так называемая тройная точка).

Двуокись углерода термически устойчива, диссоциирует на окись углерода и только при температуре выше 2000°С.

Углекислый газ – это первый газ, который был описан как дискретное вещество . В семнадцатом веке, фламандский химик Ян Баптист ван Гельмонт (Jan Baptist van Helmont ) заметил, что после сжигания угля в закрытом сосуде масса пепла была намного меньше массы сжигаемого угля. Он объяснял это тем, что уголь трансформируется в невидимую массу, которую он назвал «газ».

Свойства углекислого газа были изучены намного позже в 1750г. шотландским физиком Джозефом Блэком (Joseph Black) .

Он обнаружил, что известняк (карбонат кальция CaCO 3) при нагреве или взаимодействии с кислотами, выделяет газ, который он назвал «связанный воздух» . Оказалось, что «связанный воздух» плотнее воздуха и не поддерживает горение.

CaCO 3 + 2HCl = СО 2 + CaCl 2 + H 2 O

Пропуская «связанный воздух» т.е. углекислый газ CO 2 через водный раствор извести Ca(OH) 2 на дно осаждается карбонат кальция CaCO 3 . Джозеф Блэк использовал этот опыт для доказательства того, что углекислый газ выделяется в результате дыхания животных .

CaO + H 2 O = Ca(OH) 2

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 + H 2 O

Жидкая двуокись углерода бесцветная жидкость без запаха, плотность которой сильно изменяется с изменением температуры. Она существует при комнатной температуре лишь при давлении более 5,85 МПа. Плотность жидкой углекислоты 0,771 г/см 3 (20°С). При температуре ниже +11°С она тяжелее воды, а выше +11°С - легче.

Удельная масса жидкой двуокиси углерода значительно изменяется с температурой , поэтому количество углекислоты определяют и продают по массе. Растворимость воды в жидкой двуокиси углерода в интервале температур 5,8-22,9°С не более 0,05%.

Жидкая двуокись углерода превращается в газ при подводе к ней теплоты. При нормальных условиях (20°С и 101,3 кПа) при испарении 1 кг жидкой углекислоты образуется 509 л углекислого газа . При чрезмерно быстром отборе газа, понижении давления в баллоне и недостаточном подводе теплоты углекислота охлаждается, скорость ее испарения снижается и при достижении «тройной точки» она превращается в сухой лед, который забивает отверстие в понижающем редукторе, и дальнейший отбор газа прекращается. При нагреве сухой лед непосредственно превращается в углекислый газ, минуя жидкое состояние. Для испарения сухого льда необходимо подвести значительно больше теплоты, чем для испарения жидкой двуокиси углерода - поэтому если в баллоне образовался сухой лед, то испаряется он медленно.

Впервые жидкую двуокись углерода получили в 1823 г. Гемфри Дэви (Humphry Davy) и Майкл Фарадей (Michael Faraday).

Твердая двуокись углерода «сухой лед», по внешнему виду напоминает снег и лед. Содержание углекислого газа, получаемого из брикета сухого льда, высокое - 99,93-99,99%. Содержание влаги в пределах 0,06-0,13%. Сухой лед, находясь на открытом воздухе, интенсивно испаряется, поэтому для его хранения и транспортировки используют контейнеры. Получение углекислого газа из сухого льда производится в специальных испарителях. Твердая двуокись углерода (сухой лед), поставляемая по ГОСТ 12162.

Двуокись углерода чаще всего применяют :

для создания защитной среды при металлов;
в производстве газированных напитков;
охлаждение, замораживание и хранения пищевых продуктов;
для систем пожаротушения;
для чистки поверхностей сухим льдом.

Плотность углекислого газа достаточно высока, что позволяет обеспечивать защиту реакционного пространства дуги от соприкосновения с газами воздуха и предупреждает азотирование при относительно небольших расходах углекислоты в струе. Углекислый газ является , в процессе сварки он взаимодействует с металлом шва и оказывает на металл сварочной ванны окисляющее, а также науглероживающее действие .

Ранее препятствием для применения углекислоты в качестве защитной среды являлись в швах. Поры вызывались кипением затвердевающего металла сварочной ванны от выделения оксиси углерода (СО) вследствие недостаточной его раскисленности.

При высоких температурах углекислый газ диссоциирует с образованием весьма активного свободного, одноатомного кислорода:

Окисление металла шва выделяющимся при сварке из углекислого газа свободным нейтрализуется содержанием дополнительного количества легирующих элементов с большим сродством к кислороду, чаще всего кремнием и марганцем (сверх того количества, которое требуется для легирования металла шва) или вводимыми в зону сварки флюсами (сварка ).

Как двуокись, так и окись углерода практически не растворимы в твердом и расплавленном металле. Свободный активный окисляет элементы, присутствующие в сварочной ванне, в зависимости от их сродства к кислороду и концентрации по уравнению:

Мэ + О = МэО

где Мэ - металл (марганец, алюминий или др.).

Кроме того, и сам углекислый газ реагирует с этими элементами.

В результате этих реакций при сварке в углекислоте наблюдается значительное выгорание алюминия, титана и циркония, и менее интенсивное - кремния, марганца, хрома, ванадия и др.

Особенно энергично окисление примесей происходит при . Это связано с тем, что при сварке плавящимся электродом взаимодействие расплавленного металла с газом происходит при пребывании капли на конце электрода и в сварочной ванне, а при сварке неплавящимся электродом - только в ванне. Как известно, взаимодействие газа с металлом в дуговом промежутке происходит значительно интенсивнее вследствие высокой температуры и большей поверхности контактирования металла с газом.

Ввиду химической активности углекислого газа по отношению к вольфраму сварку в этом газе ведут только плавящимся электродом.

Двуокись углерода нетоксична и невзрывоопасна. При концентрациях более 5% (92 г/м 3) углекислый газ оказывает вредное влияние на здоровье человека, так как она тяжелее воздуха и может накапливаться в слабо проветриваемых помещениях у пола. При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать явление кислородной недостаточности и удушья. Помещения, где производится сварка с использованием углекислоты, должны быть оборудованы общеобменной приточно-вытяжной вентиляцией. Предельно допустимая концентрация углекислого газа в воздухе рабочей зоны 9,2 г/м 3 (0,5%).

Углекислый газ поставляется по . Для получения качественных швов используют газообразную и сжиженную двуокись углерода высшего и первого сортов.

Углекислоту транспортируют и хранят в стальных баллонах по или цистернах большой емкости в жидком состоянии с последующей газификацией на заводе, с централизованным снабжением сварочных постов через рампы. В стандартный с водяной емкостью 40 л заливается 25 кг жидкой углекислоты, которая при нормальном давлении занимает 67,5% объема баллона и дает при испарении 12,5 м 3 углекислого газа. В верхней части баллона вместе с газообразной углекислотой скапливается воздух. Вода, как более тяжелая, чем жидкая двуокись углерода, собирается в нижней части баллона.

Для снижения влажности углекислого газа рекомендуется установить баллон вентилем вниз и после отстаивания в течение 10...15 мин осторожно открыть вентиль и выпустить из баллона влагу. Перед сваркой необходимо из нормально установленного баллона выпустить небольшое количество газа, чтобы удалить попавший в баллон воздух. Часть влаги задерживается в углекислоте в виде водяных паров, ухудшая при сварке шва.

При выпуске газа из баллона вследствие эффекта дросселирования и поглощения теплоты при испарении жидкой двуокиси углерода газ значительно охлаждается. При интенсивном отборе газа возможна закупорка редуктора замерзшей влагой, содержащейся в углекислоте, а также сухим льдом. Во избежание этого при отборе углекислого газа перед редуктором устанавливают подогреватель газа. Окончательное удаление влаги после редуктора производится специальным осушителем, наполненным стеклянной ватой и хлористым кальцием, силикогелием, медным купоросом или другими поглотителями влаги

Баллон с двуокисью углерода окрашен в черный цвет, с надписью желтыми буквами «УГЛЕКИСЛОТА» .