Об аквариумной воде и произведении растворимости

Аквариумная вода не бывает равновесной по содержанию СО₂ в принципе. Измерение содержания углекислоты с помощью СО₂ -теста позволяет определить общее содержание углекислого газа – [CO₂]_общ, значение которого, как правило, превышает концентрацию равновесной углекислоты – [CO₂]_общ>[CO₂]_р. Это превышение называется неравновесной углекислотой – [CO₂]_нер. Тогда

[CO₂]_нер = [CO₂]_общ – [CO₂]_р

Обе формы углекислоты – и равновесная и неравновесная, являются не измеряемыми, а только расчетными параметрами. Именно неравновесный углекислый газ обеспечивает активный фотосинтез водных растений и с другой стороны, может создавать проблемы при содержании отдельных видов рыб. В хорошо сбалансированном аквариуме естественные суточные колебания содержания углекислого газа не приводят к падению его концентрации ниже [CО₂]_р и не превышают возможностей буфера аквариумной воды. Как будет показано в следующей главе, амплитуда этих колебаний не должна превышать ±0,5[CO₂]_р. Но при увеличении содержания углекислого газа на более, чем 0,5[CO₂]_р, динамика заявленных компонентов СО₂ -системы – dGH, dKH и рН, будет сильно отличаться от природной: общая жесткость (dGH) в такой ситуации возрастает на фоне падения значений рН и dКН. Именно такая ситуация в корне может отличать аквариумную воду от природной. Происходит повышение dGH в результате растворения известняка грунта. В такой воде могут затрудняться жизненно важные процессы газообмена в организме рыб, в частности – выведение СО₂, а формирующиеся ответные патологические процессы часто приводят к ошибкам при оценке ситуации (см ниже). В морских рифовых аквариумах такая вода может растворять свежеосажденный СаСО₃ скелета жестких кораллов, в том числе на месте травмы, что может приводить к отслоению тела полипа от скелета и гибели животного при благополучии аквариума по другим параметрам.

При обилии водных растений, на свету возможна ситуация, когда [CO₂]_общ<[CO₂]р. В этом случае растения будут влачить жалкое существование, а вода будет склонна к отложению СаСО₃, особенно на зрелых листьях. Поэтому в аквариумах для выращивания водных растений рекомендуется поддерживать [CO₂]_нер< 3 – 5 мг/л. Последнее неравенство также характерно для морских вод коралловых рифов. В океанологии данная ситуация описывается т.н. индексом насыщенности вод карбонатом кальция. В такой обстановке фотосинтез симбионтных зооксантелл в телах коралловых полипов еще больше усиливает приведенное неравенство, что в итоге приводит к отложению СаСО₃ и росту скелета полипа. К сожалению, в морской аквариумистике этот параметр применения пока не нашел. Ввиду такого важного значения растворимости известняка СаСО₃, познакомимся с химией этого процесса подробнее.

Как известно, осаждение из раствора кристаллов любого вещества начинается при его т.н. насыщенных концентрациях, когда вода больше не способна вмещать в себе это вещество. Водный раствор над осадком (твердой фазой) всегда будет насыщен ионами вещества, независимо от его растворимости и будет находиться в состоянии химического равновесия с твердой фазой. Для известняка это выразится уравнением: СаСО_3(тв.)=Са⁺⁺+СО₃^--_(р-р). Применив закон действия масс, получим: [Ca⁺⁺][CO₃^--]_(р-р)/[CaCO₃]_(тв.)=К. Поскольку [CaCO₃]_(тв.)=const (твердая фаза), то тогда [Ca⁺⁺][CO₃^--]_(р-р)=К. Т.к. последнее уравнение характеризует способность вещества растворяться, то такое произведение насыщенных концентраций ионов трудно растворимых веществ назвали произведением растворимости - ПР (ср. с ионным произведением воды К_w).

ПР_СаСО3 = [Ca⁺⁺][CO₃^--] = 5•10^-9. Как и ионное произведение воды, ПР_СаСО3 остается постоянным, независимо от изменения концентраций ионов кальция и карбонатов. Тогда при наличии в аквариумном грунте известняка, в воде всегда будут присутствовать карбонат-ионы в количестве, определяемом ПР_СаСО3 и общей жесткостью:

[CO₃^--] = ПР_СаСО3/[Ca⁺⁺]

В присутствии в воде неравновесного углекислого газа происходит реакция:

СО₃^--+СО₂+Н₂О=2НСО₃^-

которая понижает насыщающую концентрацию карбонат-ионов [СО₃^--]. В результате в соответствии с произведением растворимости, в воду будут поступать компенсаторные количества СО₃^-- из СаСО₃, т.е. известняк начнет растворяться. Поскольку СО₂+Н₂О=Н⁺+НСО₃^-, смысл приведенного выше уравнения можно сформулировать точнее: СО₃^--+Н⁺=НСО₃^-. Последнее уравнение говорит о том, что карбонаты, находящиеся в воде в соответствии с ПР_СаСО3, нейтрализуют кислоту (Н⁺), образующуюся при растворении СО₂, в результате чего рН воды сохраняется неизменным. Таким образом, мы постепенно пришли к тому, с чего начинали разговор: