Многим аквариумистам известны рекомендации по использованию для размножения рыб воды, более мягкой и кислой, по сравнению с аквариумной. Удобно пользоваться для этой цели дистиллированной водой, мягкой и слабокислой, смешивая ее с водой из аквариума. Но оказывается, что при этом жесткость исходной воды уменьшается пропорционально разведению, а рН практически не изменяется. Свойство сохранять значение показателя рН независимо от степени разведения, называется буферностью. В этой статье мы познакомимся с основными компонентами буферных систем аквариумной воды: кислотностью воды - рН , содержанием углекислого газа - СО 2 , карбонатной «жесткостью» - dКН (эта величина показывает содержание в воде гидрокарбонат-ионов НСО 3 - ; в рыбохозяйственной гидрохимии этот параметр называют щелочностью), общей жесткостью – dGН (для упрощения принимается, что ее составляют только ионы кальция – Са ++ ). Обсудим их влияние на химический состав природной и аквариумной воды, собственно буферные свойства, а также механизм воздействия рассматриваемых параметров на организм рыб. Большинство химических реакций, рассматриваемых ниже, являются обратимыми, поэтому вначале важно познакомиться с химическими свойствами обратимых реакций; это удобно сделать на примере воды и показателя рН.
- 6. СО 2 и физиология дыхания аквариумных рыб
- 7. Мини-практикум
- 8. Использованная литература
1. О ХИМИЧЕСКИХ РАВНОВЕСИЯХ, ЕДИНИЦАХ ИЗМЕРЕНИЯ И pН
Вода является хотя и слабым, но все же электролитом, т. е. способна к диссоциации, описываемой уравнением
Н 2 О ↔Н + +ОН -
Этот процесс обратим, т.е.
Н + +ОН - ↔Н 2 О
C химической точки зрения ион водорода Н + всегда является кислотой. Ионы, способные связывать, нейтрализовывать кислоту (Н + ), являются основаниями. В нашем примере это – гидроксил-ионы (ОН - ), но в аквариумной практике, как будет показано ниже, доминирующим основанием является гидрокрабонат-ион НСО 3 - , ион карбонатной «жесткости». Обе реакции протекают с вполне измеримыми скоростями, определяемыми концентрацией: скорости химических реакций пропорциональны произведению концентраций реагирующих веществ. Так для обратной реакции диссоциации воды Н + +ОН - >Н 2 О ее скорость выразится следующим образом:
V обр = К обр [Н + ]
К
– коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости реакции
.
-квадратные скобки обозначают молярную концентрацию вещества
, т.е. количество молей вещества в 1 литре раствора. Моль можно определить как вес в граммах (или объем в литрах - для газов) 6 10 23 частиц (молекул, ионов) вещества - число Авогадро. Число, показывающее вес 6 10 23 частиц в граммах равно числу, показывающему вес одной молекулы в дальтонах.
Так, например, выражение обозначает молярную концентрацию водного раствора … воды. Молекулярный вес воды составляет 18 дальтон (два атома водорода по 1д, плюс атом кислорода 16д), соответственно 1 моль (1М) Н 2 О – 18 грамм. Тогда 1 литр (1000 грамм) воды содержит 1000:18=55,56 молей воды, т.е. =55,56М=const .
Поскольку диссоциация – процесс обратимый (Н 2 О- Н + +ОН - ), то при условии равенства скоростей прямой и обратной реакции (V пр =V обр ), наступает состояние химического равновесия, при котором продукты реакции и реагирующие вещества находятся в постоянных и определенных соотношениях: К пр = K обр . Если константы объединить в одной части уравнения, а реагенты в другой, то получим
К пр /К обр = / = К
где К также является постоянной величиной и называется константой равновесия .
Последнее уравнение является математическим выражением т.н. закона действия масс: в состоянии химического равновесия отношение произведений равновесных концентраций реагентов является постоянной величиной. Константа равновесия показывает, при каких пропорциях реагентов наступает химическое равновесие. Зная значение К , можно предсказать направление и глубину протекания химической реакции. Если К>1 , реакция протекает в прямом направлении, если К<1 – в обратном. Используя константу равновесия, с химическими уравнениями можно обращаться как с алгебраическими и производить соответствующие вычисления. Точность их не очень высока, но они относительно просты и наглядны, что позволяет глубже понять смысл рассматриваемых процессов. Численное значение константы равновесия индивидуально и постоянно для каждой обратимой химической реакции. Оно определяется экспериментально, и эти значения приводятся в химических справочниках.
В нашем примере К = / = 1,8 10 -16 . Поскольку =55,56 =const , то ее можно объединить с К в левой части уравнения. Тогда:
К==(1,8 10 -16) (55,56)=1 10 -14 = const. = К w
Преобразованное в такую форму уравнение диссоциации воды называется ионным произведением воды и обозначается К w . Значение К w остается постоянным при любых значениях концентраций Н + и ОН - , т.е. с увеличением концентрации ионов водорода Н + , уменьшается концентрация ионов гидроксила – ОH - и наоборот. Так, например, если = 10 -6 , то = K w / = (10 -14)/(10 -6)=10 -8 . Но К w = (10 -6) . (10 -8) =10 -14 = const . Из ионного произведения воды следует, что в состоянии равновесия = = √К w = √1 10 -14 = 10 -7 М .
Однозначность связи между концентрацией ионов водорода и гидроксила в водном растворе позволяет для характеристики кислотности или щелoчности среды пользоваться одной из этих величин. Принято пользоваться величинoй концентрации ионов водорода Н + . Поскольку величинами порядка 10 -7 оперировавть неудобно, в 1909 году шведский химик К.Серензен предложил использовать для этой цели отрицательный логарифм концентрации водородных ионов Н + и обозначил его рН , от лат. potentia hydrogeni – сила водорода: рН = -lg . Тогда выражение =10 - 7 можно записать коротко как pH=7 . Т.к. предложенный параметр не имеет единиц измерения, он называется показателем (рН ). Удобство предложения Серензона вроде бы очевидно, но он подвергался критике современников за непривычную обратную зависимость между концентрацией ионов водорода Н + и значением показателя рН : с увеличением концентрации Н + , т.е. с увеличением кислотности раствора, значение показателя рН уменьшается. Из ионного произведения воды следует, что показатель рН может принимать значения от 0 до 14 с точкой нейтральности рН=7 . Органы вкуса человека начинают различать кислый вкус со значения показателя рН=3,5 и ниже.
Для аквариумистики актуален диапазон рН 4,5-9,5 (ниже будет рассматриваться только он) и традиционно принята следующая шкала с непостоянной ценой деления:
- рН<6 -кислая
- рН 6,0-6,5 – слабокислая
- рН 6,5-6,8 – очень слабокислая
- рН 6,8-7,2 –нейтральная
рН 7,2-7,5 – очень слабощелочная
рН 7,5-8,0 - слабощелочная
рН>8 – щелочная
На практике в большинстве случаев гораздо информативнее оказывается более грубая шкала с постоянной ценой деления:
- рН=5±0,5 – кислая
- рН=6±0,5 – слабокислая
- рН=7±0,5 – нейтральная
- рН=8±0,5 – слабощелочная
- рН>8,5 – щелочная
Среды с рН<4,5 и рН>9,5 являются биологически агрессивными, и их следует считать непригодными для жизни обитателей аквариума. Поскольку показатель рН является логарифмической величиной, то изменение рН на 1 единицу означает изменение концентрации ионов водорода в 10 раз, на 2 – в 100 раз и т.д.. Изменение концентрации Н + вдвое приводит к изменению значения показателя рН лишь на 0,3 единицы.
Многие аквариумные рыбы без особого вреда для здоровья переносят и 100-кратные (т.е. на 2 единицы рН ) изменения кислотности воды. Разводчики харациновых и других т.н. мягководных рыб, перекидывают производителей из общего аквариума (часто со слабощелочной водой) в нерестовик (со слабокислой) и обратно без промежуточной адаптации. Практика также показывает, что большинство обитателей биотопов с кислой водой в неволе лучше чувствует себя в воде с рН 7,0-8,0 . С. Спотт считает рН 7,1-7,8 оптимальным для пресноводного аквариума.
Дистиллированная вода имеет рН 5,5–6,0 , а не ожидаемое рН=7 . Чтобы разобраться с этим парадоксом, необходимо познакомиться с «благородным семейством»: СО 2 и его производными.
2. СО2 СО ТОВАРИЩИ, pН, И СНОВА ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ
Согласно закону Генри содержание газа воздушной смеси в воде пропорционально его доле в воздухе (парциальному давлению) и коэффициенту абсорбции. Воздух содержит до 0,04% СО 2 , что соответствует его концентрации до 0,4 мл/л. Коэффициент абсорбции СО 2 водой=12,7. Тогда 1 литр воды может растворить 0,6 – 0,7 мл СО 2 (мл, а не мг!). Для сравнения, его биологический антипод – кислород, при 20%-ном содержании в атмосфере и коэффициенте абсорбции 0,05 обладает растворимостью 7 мл/л. Сравнение коэффициентов абсорбции показывает, что при прочих равных растворимость СО 2 значительно превышает растворимость кислорода. Попробуем разобраться, за что же такая несправедливость.
В отличие от кислорода и азота, углекислый газ - СО 2 , является не простым веществом, а химическим соединением – оксидом. Как и другие оксиды, он взаимодействует с водой с образованием гидратов оксидов и, как и у других неметаллов, его гидроксидом является кислота (угольная):
СО 2 +Н 2 О = Н 2 СО 3 .
В итоге большей относительной растворимостью углекислый газ обязан химическому связыванию его водой, чего не происходит ни с кислородом, ни с азотом. Рассмотрим внимательнее кислотные свойства угольной кислоты, применив закон действия масс и приняв во внимание, что = const :
СО 2 +Н 2 О=Н + +НСО 3 -
; К 1 = [Н + ]/ = 4 10 -7
НСО 3 - =Н + +СО 3 --
; К 2 = / = 5,6 10 -11
здесь К 1 и К 2 – константы диссоциации угольной кислоты по 1 и 2-ой ступени.
Ионы НСО 3 - называются гидрокарбонатами (в старой литературе бикарбонатами), а ионы СО 3 -- - карбонатами. Порядок величин К 1 и К 2 говорит о том, что угольная кислота является весьма слабой кислотой (К 1 <1 и К 2 <1 ), а сравнение величин К 1 и К 2 – о том, что в ее растворе доминируют гидрокарбонат-ионы (К 1 >К 2 ).
Из уравнения К 1 можно рассчитать концентрацию ионов водорода Н + :
= K 1 /
Если выразить концентрацию Н + через рН , как это в свое время сделали Хендерсон и Хассельбальх для теории буферных растворов, то получим:
рН = рК 1 – lg/
или удобнее
рН = рК 1 + lg/
где, по аналогии с рН , рК 1 = -lgК 1 =-lg4 10 -7 = 6,4 = const . Тогда pH=6,4 + lg/ . Последнее уравнение известно как уравнение Хендерсона – Хассельбальха. Из уравнения Хендерсона – Хассельбальха следуют по крайней мере два важных вывода. Во-первых, для анализа величины показателя рН необходимо и достаточно знания концентраций компонентов только СО 2 -системы. Во-вторых, значение показателя рН определяется отношением концентраций / , а не наоборот.
Поскольку содержание неизвестно, для вычисления концентрации Н + в дистиллированной воде можно воспользоваться принятой в аналитической химии формулой = √K 1 . Тогда рН = -lg√K 1 . Чтобы оценить интересующую нас величину показателя рН , вернемся к единицам измерения. Из закона Генри известно, что концентрация СО 2 в дистиллированной воде составляет 0,6мл/л. Выражение означает молярную концентрацию (см. выше) углекислого газа. 1М СО 2 весит 44 грамма, и при нормальных условиях занимает объем 22,4 литра. Тогда для решения задачи необходимо определить, какую долю от 1М, т.е. от 22,4 литров, составляют 0,6 мл. Если концентрация СО 2 выражена не в объемных, а в весовых единицах, т.е. в мг/л, то искомую долю необходимо считать от молярного веса СО 2 – от 44 грамм. Тогда искомая величина составит:
= x 10 -3 /22,4 = y 10 -3 /44
где х – объемная (мл/л), у – весовая (мг/л) концентрация СО 2 . Простейшие вычисления дают приблизительную величину 3 10 -5 М СО 2 , или 0,03mM. Тогда
рН = -lg√K 1 = -lg√(4 10 -7)(3 10 -5) = -lg√12 10 -12 = -lg(3,5 10 -6) = 5,5
что вполне согласуется с измеряемыми значениями.
Из уравнения Хендерсона-Хассельбальха видно, как величина показателя рН зависит от отношения [НСO 3 - ]/[СО 2 ] . Приблизительно можно считать, что если концентрация одного компонента превышает концентрацию другого в 100 раз, то последней можно пренебречь. Тогда при [НСО 3 - ]/[СО 2 ] = 1/100 рН = 4,5 , что можно считать нижним пределом для СО 2 -системы. Меньшие значения показателя рН обусловлены присутствием не угольной, а других минеральных кислот, например серной, соляной. При [НСО 3 - ]/[СО 2 ] = 1/10 , рН = 5,5 . При [НСО 3 - ]/[СО 2 ] = 1 , или [НСО 3 - ] = [СО 2 ] , рН = 6,5 . При [НСО 3 - ]/[СО 2 ] = 10 , рН = 7,5 . При [НСО 3 - ]/[СО 2 ] =100 , рН = 8,5 . Считается, что при рН>8,3 (точка эквивалентности фенолфталеина) свободная углекислота в воде практически отсутствует.
3. ПРИРОДНАЯ ВОДА И УГЛЕКИСЛОТНОЕ РАВНОВЕСИЕ
В природе атмосферная влага, насыщаясь СО 2 воздуха и выпадая с осадками, фильтруется через геологическую кору выветривания. Принято считать, что там она, взаимодействуя с минеральной частью коры выветривания, обогащается т.н. типоморфными ионами: Ca ++ , Mg ++ , Na + , SO 4 -- , Сl - и формирует свой химический состав.
Однако работами В.И. Вернадского и Б.Б. Полынова показано, что химический состав поверхностных и грунтовых вод регионов с влажным и умеренно влажным климатом формирует в первую очередь почва. Влияние же коры выветривания связано с ее геологическим возрастом, т.е. со степенью выщелоченности. Разлагающиеся растительные остатки поставляют в воду СО 2 , НСО 3 - и зольные элементы в пропорции, соответствующей их содержанию в живом растительном веществе: Cа>Na>Mg . Любопытно, что практически во всем мире питьевая вода, используемая и в аквриумистике, в качестве доминирующего аниона содержит гидрокарбонат-ион НСО 3 - , а из катионов – Ca ++ , Na + , Mg ++ , нередко с некоторой долей Fe . А поверхностные воды влажных тропиков вообще удивительно однообразны по химическому составу, отличаясь лишь степенью разведения. Жесткость таких вод крайне редко достигает значений (8 ° dGH ), удерживаясь обычно на уровне до 4 °dGН . Ввиду того, что в таких водах = , они имеют слабокислую реакцию и значение показателя рН 6,0-6,5 . Обилие листового опада и активно идущее его разрушение при большом количестве осадков могут приводить к весьма высокому содержанию в таких водах СО 2 и гумусовых веществ (фульвокислот) при почти полном отсутствии зольных элементов. Таковы т.н. «черные воды» Амазонии, в которых значение показателя рН может опускаться до 4,5 и дополнительно удерживаться т.н. гуматным буфером.
В засушливых и бедных растительностью регионах на формирование ионного состава поверхностных вод заметное влияние оказывает геологический возраст горных пород, слагающих кору выветривания и их химический состав. В них рН и пропорции типоморфных ионов будут отличаться от приведенных выше. В результате формируются воды с заметным содержанием SО 4 - и Сl - , а из катионов могут преобладать Nа + с заметной долей Mg ++ . Возрастает и общее содержание солей – минерализация. В зависимости от содержания гидрокарбонатов, значение показателя рН таких вод колеблется в среднем от рН 7±0,5 до рН 8±0,5 , а жесткость всегда выше 10 °dGH . В стабильно щелочных водах, при рН>9 , основными катионами всегда будут Mg ++ и Na + с заметным содержанием калия, поскольку Са ++ осаждается в форме известняка. В этом плане особенно интересны воды Великой Африканской рифтовой долины, которая характеризуется т.н. содовым засолением. При этом даже воды таких гигантов, как озера Виктория, Малави и Танганьика отличаются повышенной минерализацией и таким высоким содержанием гидрокарбонатов, что карбонатная «жесткость» в их водах превышает жесткость общую: dKH>dGH.
СО 2 + Н 2 О↔Н + +НСО 3 - ↔2Н + + СО 3 --
В тех регионах, где кора выветривания молодая и содержит известняк (СаСО 3 ), углекислотное равновесие выражается уравнением
СаСО 3 + СО 2 + Н 2 О = Cа ++ + 2НСО 3 -
Применив к этому уравнению закон действия масс (см. выше) и приняв во внимание, что =const и =const (твердая фаза), получаем:
2 / = К СО2
где К СО2 – константа углекислотного равновесия.
Если концентрации действующих веществ выражены в миллимолях (mM,10 -3 М), то К СО2 = 34,3. Из уравнения К СО2 видна неустойчивость гидрокарбонатов: в отсутствие СО 2 , т.е. при =0 , уравнение не имеет смысла. При отсутствии углекислого газа гидрокарбонаты разлагаются до СО 2 и подщелачивают воду: НСО 3 - →ОН - +СО 2 . Содержание свободной СО 2 (для «неживой» воды весьма незначительное), которое обеспечивает устойчивость данной концентрации гидрокарбонатов при неизменном рН , называется равновесной углекислотой - р . Она связана как с содержанием углекислого газа в воздухе так и с dКН воды: с ростом dКН увеличивается и количество [СО 2 ] р . Содержание СО 2 в природных водах как правило близко к равновесной и именно эта их особенность, а не значения dKH , dGН и рН чаще всего отличает состояние природных вод от аквариумной воды. Решив уравнение К СО2 относительно СО 2 , можно определить концентрацию равновесной углекислоты:
р = 2 /К СО2
Поскольку в пресноводной аквариумистике понятия общей жесткости, карбонатной «жесткости» и кислотности являются культовыми, то интересно, что уравнения:
К 1 = /
и
К СО2 = 2 /
объединяют их в одну систему. Разделив К СО2 на К 1 , получим обобщенное уравнение:
К СО2 /К 1 =/
Напомним, что и рН объединяет обратнопропорциональная зависимость. Тогда последнее уравнение показывает, что параметры: dGH , dKH и рН связаны прямопропорционально. Это значит, что в состоянии, близком к газовому равновесию, увеличение концентрации одного компонента приведет к увеличению концентрации остальных. Данное свойство хорошо заметно при сравнении химического состава природных вод разных регионов: более жесткие воды отличаются более высокими значениями рН и dКН .
Для рыб оптимальное содержание СО 2 составляет 1–5мг/л. Концентрации более 15мг/л опасны для здоровья многих видов аквариумных рыб (см. ниже).
Таким образом, с точки зрения углекислотного равновесия, содержание СО 2 в природных водах всегда близко к р .
4. ОБ АКВАРИУМНОЙ ВОДЕ И ПРОИЗВЕДЕНИИ РАСТВОРИМОСТИ
Аквариумная вода не бывает равновесной по содержанию СО 2 в принципе. Измерение содержания углекислоты с помощью СО 2 -теста позволяет определить общее содержание углекислого газа – общ , значение которого, как правило, превышает концентрацию равновесной углекислоты – общ > р . Это превышение называется неравновесной углекислотой – нер . Тогда
нер = общ – 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 р и не превышают возможностей буфера аквариумной воды. Как будет показано в следующей главе, амплитуда этих колебаний не должна превышать ±0,5 р . Но при увеличении содержания углекислого газа на более, чем 0,5 р , динамика заявленных компонентов СО 2 -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 СО 2 , а формирующиеся ответные патологические процессы часто приводят к ошибкам при оценке ситуации (см ниже). В морских рифовых аквариумах такая вода может растворять свежеосажденный СаСО 3 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 общ <р . В этом случае растения будут влачить жалкое существование, а вода будет склонна к отложению СаСО 3 , особенно на зрелых листьях. Поэтому в аквариумах для выращивания водных растений рекомендуется поддерживать 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 СаСО 3 и росту скелета полипа. К сожалению, в морской аквариумистике этот параметр применения пока не нашел. Ввиду такого важного значения растворимости известняка СаСО 3 , 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 ++ +СО 3 -- (р-р) . Применив закон действия масс, получим: (р-р) / (тв.) =К . Поскольку (тв.) =const (твердая фаза), то тогда (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 = = 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:
= ПР СаСО3 /
В присутствии в воде неравновесного углекислого газа происходит реакция:
СО 3 -- +СО 2 +Н 2 О=2НСО 3 -
которая понижает насыщающую концентрацию карбонат-ионов [СО 3 -- ] . В результате в соответствии с произведением растворимости, в воду будут поступать компенсаторные количества СО 3 -- из СаСО 3 , т.е. известняк начнет растворяться. Поскольку СО 2 +Н 2 О=Н + +НСО 3 - , смысл приведенного выше уравнения можно сформулировать точнее: СО 3 -- +Н + =НСО 3 - . Последнее уравнение говорит о том, что карбонаты, находящиеся в воде в соответствии с ПР СаСО3 , нейтрализуют кислоту (Н + ), образующуюся при растворении СО 2 , в результате чего рН воды сохраняется неизменным. Таким образом, мы постепенно пришли к тому, с чего начинали разговор:
5. КАРБОНАТНАЯ БУФЕРНАЯ СИСТЕМА
Растворы называют буферными, если они обладают двумя свойствами:
А: Значение показателя рН растворов не зависит от их концентрации, или от степени их разведения.
Б: При добавлении кислоты (Н + ), или щелочи (ОН - ), величина их показателя рН мало изменяется, пока концентрация одного из компонентов буферного раствора не изменится более, чем наполовину.
Указанными свойствами обладают растворы, состоящие из слабой кислоты и ее соли. В аквариумной практике такой кислотой является углекислота, а ее доминирующей солью – гидрокарбонат кальция – Са(НСО 3) 2 . С другой стороны, повышение содержания СО 2 выше равновесного эквивалентно добавлению в воду кислоты - Н + , а понижение его концентрации ниже равновесного – равносильно добавлению щелочи - ОН - (разложение гидрокарбонатов - см. выше). Количество кислоты или щелочи, которое необходимо внести в буферный раствор (аквариумную воду), чтобы значение показателя рН изменилось на 1 единицу, называется буферной емкостью. Отсюда следует, что рН аквариумной воды начинает изменяться раньше, чем исчерпывается ее буферная емкость, но по исчерпании буферной емкости, рН изменяется уже эквивалентно количеству внесенной кислоты, или щелочи. В основе работы буферной системы лежит т.н. принцип Ле Шателье: химическое равновесие всегда смещается в сторону, противоположную приложенному воздействию. Рассмотрим свойства А и Б буферных систем.
А. Независимость рН буферных растворов от их концентрации выводится из уравнения Хендерсона-Хассельбальха: рН = рК 1 +lg/ . Тогда при разных концентрациях НСО 3 - и СО 2 их отношение / может быть неизменным. Так, например, / = 20/8 = 10/4 = 5/2 = 2,5/1 = 0,5/0,2 = 2,5 , - т.е. разные воды, отличающиеся значением карбонатной «жесткости» dКН и содержанием СО 2 , но содержащие их в одинаковой пропорции, будут иметь одинаковое значение показателя рН (см.также гл.2). Уверенно отличаться такие воды будут по своей буферной емкости: чем выше концентрация компонентов буферной системы, тем больше ее буферная емкость и наоборот.
Аквариумисты сталкиваются с данным свойством буферных систем обычно в периоды весеннего и осеннего паводка, если станции водозабора снабжаются поверхностной, а не артезианской водой. В такие периоды буферная емкость воды может уменьшаться настолько, что некоторые виды рыб не выдерживают традиционной плотной посадки. Тогда начинают появляться истории о загадочных болезнях, выкосивших например, скалярий, или меченосцев и против которых бессильны все лекарства.
Б . Можно говорить о трех буферных системах аквариумной воды, каждая из которых устойчива в своем диапазоне рН :
1 . рН<8,3 СО 2 /НСО 3 - гидрокарбонатный буфер
2. рН=8,3 НСО 3 - гидрокарбонатный буфер
3. рН>8,3 НСО 3 - /СО 3 -- карбонатный буфер.
Рассмотрим свойсво Б в двух вариантах: вар. Б1 - при возрастании содержания СО 2 и вар. Б2 – при уменьшении его содержания.
Б1 . Концентрация СО 2 увеличивается (плотная посадка, очень старая вода, перекорм).
Кислотные свойства СО 2 проявляются в образовании ионов водорода Н + при взаимодействии его с водой: СО 2 +Н 2 О→Н + +НСО 3 - . Тогда увеличение концентрации СО 2 равносильно увеличению концентрации ионов водорода Н + . Согласно принципа Ле Шателье это приведет к нейтрализации Н + . В этом случае буферные системы работают следующим образом.
Карбонатный буфер 3 : при наличии карбонатного грунта ионы водорода будут поглощаться присутствующими в воде карбонатами: Н + +СО 3 -- →НСО 3 - . Следствием этой реакции будет растворение СаСО 3 грунта (см. выше).
Гидрокарбонатный буфер 1 – 2 : по реакции Н + +НСО 3 - →CO 2 +Н 2 О . Стабильность рН будет достигнута за счет уменьшения карбонатной «жесткости» dКН , а удаление образующегося СО 2 – либо за счет фотосинтеза, либо за счет диффузии его в воздух (при надлежащей аэрации).
Если источник избытка СО 2 не будет устранен, то при уменьшении значения dКН вдвое от исходного, рН воды начнет понижаться при сопутствующем падении буферной емкости и увеличении общей жесткости. Когда величина показателя рН уменьшится на 1 единицу, емкость буферной системы будет исчерпана. При значении рН=6,5 содержание оставшихся гидрокарбонатов = , а при рН<6 гидрокарбонаты будут присутствовать лишь в виде следа.
В итоге стабильность рН будет оплачена ценой понижения dКН , увеличения dGH и расходования буферной емкости воды. Такая вода уже будет сильно отличаться от природной (см. выше) и не всякая рыба сможет в ней выжить. В аквариумной практике принято считать нижней границей нормы количество гидрокарбонатов, соответствующее 4°dКН . Можно добавить, что для ряда видов аквариумных рыб (живородки, скалярии, атерины и др.) понижение карбонатной «жесткости» ниже 2°dКН может закончится трагично. Но в то же время, многие мелкие харациновые, расборы, радужницы такую воду переносят.
Б2 . Противоположные процессы – подщелачивание воды вследствие уменьшения содержания СО 2 в аквариуме ниже равновесного - возможны либо при активном фотосинтезе растений, либо при искусственном внесении в воду гидрокарбонатов в виде пищевой соды – NаНСО 3 . Тогда, согласно принципу Ле Шателье, это приведет к следующему противодействию со стороны буферных систем аквариумной воды.
Гидрокарбонатный буфер 1 : стабильность рН будет удерживаться за счет диссоциации гидрокарбонатов: НСО 3 - →Н + +СО 3 -- . Тогда вслед за понижением содержания
СО 2 , будет пропорционально понижаться и количество гидрокарбонатов, а значение отношения [НСО 3 - ]/ сохраняться постоянным (см. свойство А, уравнение Хендерсона-Хассельбальха). При падении содержания углекислоты менее 0,5 р , значение показателя рН начнет увеличиваться и может возрасти до рН=8,3 . По достижении этого значения, гидрокарбонатный буфер 1 свои возможности исчерпывает, поскольку в такой воде СО 2 практически отсутствует.
Гидрокарбонатный буфер 2 удерживает значение рН=8,3 . Эта цифра следует из формулы [Н + ]=√К 1 К 2 , где К 1 и К 2 – 1 и 2-ая константы диссоциации угольной кислоты (см. выше). Тогда:
рН = -lg√К 1 К 2 = -lg√(4 10 -7)(5,6 10 -11) = 8,3
Т.е. значение рН растворов любых гидрокарбонатов постоянно, не превышает рН=8,3 и является следствием самой химической природы этих веществ.
В отсутствие СО 2 гидрокарбонаты разлагаются по уравнению:
НСО 3 - →СО 2 +ОН - , подщелачивая воду и выделяя СО 2 , который потребляют растения. Но, тот же гидрокарбонат нейтрализует ОН - по схеме: НСО 3 - →СО 3 -- +Н + ; и Н + +ОН - →Н 2 О . Поэтому значение показателя рН будет сохраняться стабильным, что отражает суммарное уравнение:
2НСО 3 - →СО 3 -- +СО 2 +Н 2 О
Стабильность рН достигается опять же за счет уменьшения количества гидрокарбонатов, т.е. за счет понижения буферной емкости воды. Однако аквариумный тест dКН это уменьшение не чувствует в силу особенностей самого метода анализа.
Поскольку гидрокарбонат-ион обладает способностью к диссоциации как по кислотному, так и по основному типу, т.е: НСО 3 - →Н + +СО 3 -- и НСО 3 - →ОН - +СО 2 , то карбонатная «жесткость» dКН (содержание гидрокарбонатов), также является буферной системой.
Искусственное внесение в воду гидрокарбонатов (обычно в виде пищевой соды) иногда практикуется при содержании цихлид из Великих Африканских озер и в морской аквариумистике. При этом реализуются две стратегии: увеличение буферной емкости аквариумной воды и повышение значения показателя рН до 8,3.
Если количество СО 2 в аквариумной воде будет уменьшаться и далее, то при падении его содержания вдвое, по сравнению с равновесным, рН воды начнет возрастать. По превышении показателем рН значения рН=8,3 , углекислый газ из воды исчезает, и неорганический углерод представлен только гидрокарбонатами и карбонатами.
Карбонатный буфер 3 . По превышении карбонатами концентрации, соответствующей произведению растворимости =ПР СаСО3 / , в воде начнут образовываться кристаллы СаСО 3 . Поскольку основным и единственным потребителем СО 2 в пресноводном аквариуме являются водные растения, то рассматриваемые процессы происходят преимущественно на поверхности зеленого листа. При возрастании рН>8,3 поверхность зрелых листьев начнет покрываться известковой коркой, которая является замечательным субстратом для роста водорослей. Связывая карбонаты СО 3 -- , образующийся СаСО 3 также поддерживает стабильность рН . Однако в отсутствие ионов Са ++ (в очень мягкой воде), при активном фотосинтезе рост концентрации карбонатов будет повышать значение показателя рН вследствие гидролиза карбонатов: СО 3 -- +Н 2 О→ОН - +НСО 3 - .
При увеличении значения показателя рН на 1 единицу, по сравнению с исходным, буферная емкость воды будет исчерпана, и при продолжающемся падении содержания СО 2 , значение показателя рН может быстро повыситься до рискованного рН>8,5 . В итоге падение содержания СО 2 в аквариумной воде приведет к росту значения показателя рН при некотором уменьшении общей жесткости. В такой воде (также сильно неравновесной, как и в варианте Б1 ) весьма дискомфортно будут себя чувствовать многие мягководные рыбы.
Таким образом карбонатная буферная система воды объединяет в себе традиционные аквариумные гидрохимические параметры: жесткость общую и карбонатную, рН , а также содержание СО 2 . В ряду dGH – pH - dKH – CO 2 самым консервативным параметром является dGH , а самым изменчивым – СО 2 . По степени изменения dGH , pH и особенно dKH по сравнению с отстоянной, проаэрированной водопроводной водой можно судить о степени напряженности процессов дыхания и фотосинтеза в аквариуме. Исчерпание буферной емкости аквариумной воды как в ту, так и в другую сторону, настолько изменяет ее способность поглощать СО 2 , что именно это свойство зачастую превращает ее в сильно неравновесную по содержанию СО 2 и кардинально отличает от природной. Изменение способности аквариумной воды поглощать выдыхаемый рыбами СО 2 , может превышать физиологические возможности организма рыб по его выведению. Поскольку это отражается на здоровье рыбного населения аквариума, то следует познакомиться с особенностями физиологического действия СО 2 на организм рыб.
© Александр Яночкин, 2005 г.
© Аква Лого, 2005 г.
От количества углекислого газа в кровяном русле человека зависит нормальное функционирование всех систем жизнедеятельности. Диоксид углерода повышает сопротивляемость организма к бактериальным и вирусным инфекциям, участвует в обмене биологически активных веществ. При физических и интеллектуальных нагрузках углекислый газ помогает поддерживать равновесие организма. Но значительное увеличение этого химического соединения в окружающей атмосфере ухудшает самочувствие человека. Вред и польза углекислого газа для существования жизни на Земле еще не до конца изучены.
Характерные особенности углекислого газа
Двуокись углерода, угольный ангидрид, углекислый газ - газообразное химическое соединение, не обладающее цветом и запахом. Вещество в 1, 5 раза тяжелее воздуха, а его концентрация в атмосфере Земли составляет приблизительно 0,04 %. Отличительной особенностью углекислого газа является отсутствие жидкой формы при увеличении давления - соединение сразу переходит в твердое состояние, известное как «сухой лед». Но при создании определенных искусственных условий двуокись углерода принимает форму жидкости, что широко используется для ее транспортировки и длительного хранения.
Интересный факт
Углекислый газ не становится преградой для ультрафиолетовых лучей, которые поступают в атмосферу от Солнца. А вот инфракрасное излучение Земли абсорбируется углеродным ангидридом. Это и становится причиной глобального потепления с момента образования огромного количества промышленных производств.
В течение суток организм человека поглощает и метаболизирует около 1 кг двуокиси углерода. Она принимает активное участие в обмене веществ, который происходит в мягких, костных, суставных тканях, а затем попадает в венозное русло. С потоком крови углекислый газ поступает в легкие и покидает организм при каждом выдохе.
Химическое вещество находится в теле человека преимущественно в венозной системе. Капиллярная сеть легочных структур и артериальная кровь содержат небольшую концентрацию углекислого газа. В медицине используется термин «парциальное давление», характеризующий концентрационное соотношение соединения по отношению ко всему объему крови.
Терапевтические свойства двуокиси углерода
Проникновение углекислого газа в организм вызывает у человека дыхательный рефлекс. Повышение давления химического соединения провоцирует тонкие нервные окончания посылать импульсы к рецепторам головного или (и) спинного мозга. Именно так происходят процессы вдоха и выдоха. Если уровень углекислоты в крови начинает повышаться, то легкие ускоряют его выделение из тела.
Интересный факт
Ученые доказали, что значительная продолжительность жизни у людей, проживающих в высокогорье, непосредственно связана с большим содержанием углекислого газа в воздухе. Он повышает иммунитет, нормализует обменные процессы, укрепляет сердечно-сосудистую систему.
В организме человека двуокись углерода является одним из важнейших регуляторов, выступая в качестве основного продукта наравне с молекулярным кислородом. Роль углекислого газа в процессе жизнедеятельности человека сложно переоценить. К основным функциональным особенностям вещества можно отнести следующие:
- обладает способностями вызывать стойкое расширение крупных сосудов и капилляров;
- способно оказывать седативное влияние на центральную нервную системы, провоцируя анестезирующее действие;
- принимает участие в продуцировании важнейших аминокислот;
- возбуждает дыхательный центр при увеличении концентрации в кровяном русле.
Если в организме ощущается острый дефицит углекислого газа, то все системы мобилизуются и повышают свою функциональную активность. Все процессы в организме направлены на восполнение запасов двуокиси углерода в тканях и кровяном русле:
- сосуды сужаются, развивается бронхоспазм гладкой мускулатуры верхних и нижних дыхательных путей, а также кровеносных сосудов;
- бронхи, бронхиолы, структурные отделы легких секретируют повышенной количество слизи;
- снижается проницаемость крупных и мелких кровеносных сосудов, капилляров;
- на клеточных мембранах начинает откладываться холестерин, что вызывает их уплотнение и тканевой склероз.
Совокупность всех этих патологических факторов в сочетании с малым поступлением молекулярного кислорода приводит к гипоксии тканей и снижению скорости течения крови в венах. Особенно остро ощущается кислородное голодание в клетках головного мозга, они начинают разрушаться. Нарушается регуляция всех систем жизнедеятельности: отекают мозг и легкие, снижается ритм сердечных сокращений. При отсутствии врачебного вмешательства человек может умереть.
Где используется углекислый газ
Углекислый газ находится не только в теле человека и в окружающей атмосфере. Многие промышленные производства активно используют химическое вещество на различных стадиях технологических процессов. Его применяют в качестве:
- стабилизатора;
- катализатора;
- первичного или вторичного сырья.
Интересный факт
Двуокись кислорода способствует преобразованию во вкусное терпкое домашнее вино. При брожении сахара, содержащегося в ягодах, выделяется углекислый газ. Он придает напитку игристость, позволяет ощутить лопающиеся пузырьки во рту.
На упаковке продуктов питания двуокись углерода скрывается под кодом Е290. Как правило, она используется в качестве консерванта для длительного хранения. При выпечке вкусных кексов или пирогов многие хозяйки добавляют в тесто разрыхлитель. В процессе приготовления образуются пузырьки воздуха, делающие сдобу пышной, мягкой. Это и есть углекислый газ - результат химической реакции между гидрокарбонатом натрия и пищевой кислотой. Любители аквариумных рыбок используют бесцветный газ в качестве активатора роста водных растений, а производители автоматических углекислотных установок помещают его в огнетушители.
Вред угольного ангидрида
Дети и взрослые очень любят разнообразные шипучие напитки за содержащиеся в них воздушные пузырьки. Эти скопления воздуха - чистый углекислый газ, выделяющийся при откручивании колпачка бутылки. Используемый в таком качестве, он не приносит организму человека никакой пользы. Попадая в желудочно-кишечный тракт, угольный ангидрид раздражает слизистые оболочки, провоцирует повреждение эпителиальных клеток.
Для человека с заболеваниями желудка крайне нежелательно употребление , так как под их воздействием усиливается воспалительный процесс и изъязвление внутренней стенки органов пищеварительной системы.
Гастроэнтерологи запрещают пить лимонады и минеральную воду пациентам с такими патологиями:
- острый, хронический, катаральный гастрит;
- язва желудка и двенадцатиперстной кишки;
- дуоденит;
- снижение перистальтики кишечника;
- доброкачественные и злокачественные новообразования желудочно-кишечного тракта.
Следует учесть, что по статистическим данным ВОЗ более половины жителей планеты Земля страдают от той или иной формы гастрита. Основные симптомы заболевания желудка: кислая отрыжка, изжога, вздутие живота и боли в эпигастральной области.
Если человек не в силах отказаться от употребления напитков с углекислым газом, то ему следует остановить выбор на слабогазированной минеральной воде.
Специалисты советуют исключить лимонады из повседневного рациона. После проведенных статистических исследований у людей, которые длительно пили сладкую воду с углекислым газом, были выявлены такие заболевания:
- кариес;
- эндокринные нарушения;
- повышенная хрупкость костной ткани;
- жировая дистрофия печени;
- образование конкрементов в мочевом пузыре и почках;
- нарушения метаболизма углеводов.
Сотрудники офисных помещений, не оборудованных кондиционерами, часто испытывают мучительные головные боли, тошноту, слабость. Это состояние у человека возникает при избыточном скоплении в комнате углекислого газа. Постоянное нахождение в такой обстановке приводит к ацидозу (повышению кислотности крови), провоцирует снижение функциональной активности всех систем жизнедеятельности.
Польза углекислого газа
Оздоровляющее действие двуокиси углерода на организм человека широко используется в медицине в терапии различных заболеваний. Так, в последнее время пользуются огромной популярностью сухие углекислые ванны. Процедура заключается в воздействии углекислого газа на тело человека при отсутствии посторонних факторов: давления воды и температуры окружающей среды.
Косметические салоны и лечебные учреждения предлагают клиентам проведение необычных врачебных манипуляций:
- пневмопунктуру;
- карбокситерапию.
Под сложными терминами скрываются газовые уколы или инъекции углекислым газом. Такие процедуры можно отнести как к разновидностям мезотерапии, так и к методикам реабилитации после перенесенных тяжелых заболеваний.
Перед проведением этих процедур следует посетить лечащего врача для консультации и тщательной диагностики. Как и все методики терапии, уколы с углекислым газом имеют противопоказания к применению.
Полезные свойства двуокиси углерода используются в терапии сердечно-сосудистых заболеваний, артериальной гипертензии. А сухие ванны снижают содержание свободных радикалов в организме, обладают омолаживающим действием. Углекислый газ увеличивает сопротивляемость человека вирусным и бактериальным инфекциям, укрепляет иммунитет, повышает жизненный тонус.
Без цвета и запаха. Важнейший регулятор кровообращения и дыхания.
Не токсичен. Без него не было бы сдобных булочек и приятно колких газированных напитков.
Из этой статьи вы узнаете, что такое углекислый газ и как он влияет на организм человека.
Большинство из нас плохо помнят школьный курс физики и химии, но знают: газы невидимы и, как правило, неосязаемы, а потому коварны. Поэтому, прежде чем ответить на вопрос, вреден ли углекислый газ для организма, давайте вспомним, что он собой представляет.
Одеяло Земли
— двуокись углерода. Он же — углекислый газ, оксид углерода (IV) или угольный ангидрид. В нормальных условиях это бесцветный не имеющий запаха газ с кисловатым вкусом.
В условиях атмосферного давления двуокись углерода имеет два агрегатных состояния: газообразное (углекислый газ тяжелее воздуха, плохо растворяется в воде) и твёрдое (при -78 ºС превращается в сухой лёд).
Углекислый газ — один из главных составляющих окружающей среды. Он содержится в воздухе и подземных минеральных водах, выделяется при дыхании человека и животных, участвует в фотосинтезе растений.
Двуокись углерода активно влияет на климат. Она регулирует теплообмен планеты: пропускает ультрафиолет и блокирует инфракрасное излучение. В связи с этим углекислый газ порой называют одеялом Земли.
O2 — энергия. CO2 — искра
Двуокись углерода сопровождает человека на протяжении всей жизни. Будучи естественным регулятором дыхания и кровообращения, углекислый газ является неотъемлемым компонентом обмена веществ.
Делая вдох, человек наполняет лёгкие кислородом.
При этом в альвеолах (специальных «пузырьках» лёгких) происходит двусторонний обмен: кислород переходит в кровь, а углекислый газ выделяется из неё.
Человек выдыхает. CO2 — один из конечных продуктов метаболизма.
Говоря образно, кислород — это энергия, а углекислый газ — искра, разжигающая её.
Вдыхая около 30 литров кислорода в час, человек выделяет 20-25 литров углекислого газа.
Углекислый газ не менее важен для организма, чем кислород. Он является физиологическим стимулятором дыхания: влияет на кору головного мозга и стимулирует дыхательный центр. Сигналом для очередного вдоха служит не недостаток кислорода, а избыток углекислого газа. Ведь обмен веществ в клетках и тканях непрерывен, и нужно постоянно удалять его конечные продукты.
Кроме того, углекислый газ на секрецию гормонов, активность ферментов и скорость биохимических процессов.
Равновесие газообмена
Углекислый газ не токсичен, не взрывоопасен и абсолютно безвреден для людей. Однако для нормальной жизнедеятельности крайне важен баланс двуокиси углерода и кислорода. Недостаток и избыток углекислого газа в организме приводит к гипокапнии и гиперкапнии соответственно.
Гипокапния — недостаток СО2 в крови. Возникает в результате глубокого учащённого дыхания, когда в организм поступает больше кислорода, чем нужно. Например, во время слишком интенсивных физических нагрузок. Последствия могут быть различными: от лёгкого головокружения до потери сознания.
Гиперкапния — избыток СО2 в крови. Человек (вместе с кислородом, азотом, водяными парами и инертными газами) 0,04% углекислого газа, а выдыхает 4,4%. Если находиться в небольшом помещении с плохой вентиляцией, концентрация двуокиси углерода может превысить норму. Как следствие, может возникнуть головная боль, тошнота, сонливость. Но чаще всего гиперкапния сопутствует экстремальным ситуациям: неисправность дыхательного аппарата, задержка дыхания под водой и другим.
Таким образом, вопреки мнению большинства людей, углекислый газ в количествах, предусмотренных природой, необходим для жизни и здоровья человека. Кроме того, он нашёл широкое промышленное применение и приносит людям немало практической пользы.
Игристые пузырьки на службе поваров
СО2 используется во многих сферах. Но, пожалуй, наиболее востребован углекислый газ в пищевой промышленности и кулинарии.
Углекислый газ образуется в дрожжевом тесте под влиянием брожения. Именно его пузырьки разрыхляют тесто, делая его воздушным и увеличивая его объём.
С помощью углекислого газа делают различные освежающие напитки: квас, минеральную воду и другие любимые детьми и взрослыми газировки.
Эти напитки пользуются популярностью у миллионов потребителей во всём мире во многом из-за игристых пузырьков, которые так забавно лопаются в бокале и так приятно «колют» в носу.
Может ли углекислый газ, содержащийся в газированных напитках, способствовать гиперкапнии или нанести любой другой вред здоровому организму? Конечно, нет!
Во-первых, углекислый газ, который используется при приготовлении газированных напитков, специально подготовлен для применения в пищевой промышленности. В тех количествах, в которых он содержится в газировках, он абсолютно безвреден для организма здоровых людей.
Во-вторых, большая часть углекислого газа улетучивается сразу после откупоривания бутылки. Оставшиеся пузырьки «испаряются» в процессе питья, оставляя после себя лишь характерное шипение. В итоге в организм попадает ничтожно малое количество углекислого газа.
«Тогда почему врачи порой запрещают пить газированные напитки?» — спросите вы. По мнению кандидата медицинских наук, врача-гастроэнтеролога Алёны Александровны Тяжевой, это связано с тем, что существует ряд заболеваний желудочно-кишечного тракта, при которых предписывается специальная строгая диета. В список противопоказаний попадают не только напитки, содержащие газ, но и многие продукты питания.
Здоровый же человек без проблем может включить в свой рацион умеренное количество газированных напитков и время от времени позволять себе стаканчик той же колы.
Вывод
Углекислый газ необходим для поддержания жизни как планеты, так и отдельно взятого организма. СО2 влияет на климат, являясь своеобразным одеялом. Без него невозможен метаболизм: с углекислым газом из организма выходят продукты обмена. А ещё это незаменимый компонент любимых всеми газированных напитков. Именно углекислый газ создаёт игривые пузырьки, щекочущие в носу. При этом для здорового человека он абсолютно безопасен.
В таблице представлены теплофизические свойства углекислого газа CO 2 в зависимости от температуры и давления. Свойства в таблице указаны при температуре от 273 до 1273 К и давлении от 1 до 100 атм.
Рассмотрим такое важное свойство углекислого газа, как .
Плотность углекислого газа равна 1,913 кг/м 3
при нормальных условиях (при н.у.). По данным таблицы видно, что плотность углекислого газа существенно зависит от температуры и давления — при росте давления плотность CO 2 значительно увеличивается, а при повышении температуры газа — снижается. Так, при нагревании на 1000 градусов плотность углекислого газа уменьшается в 4,7 раза.
Однако, при увеличении давления углекислого газа, его плотность начинает расти, причем значительно сильнее, чем снижается при нагреве. Например при давлении и температуре 0°С плотность углекислого газа вырастает уже до значения 20,46 кг/м 3 .
Необходимо отметить, что рост давления газа приводит к пропорциональному увеличению значения его плотности, то есть при 10 атм. удельный вес углекислого газа в 10 раз больше, чем при нормальном атмосферном давлении.
В таблице приведены следующие теплофизические свойства углекислого газа:
- плотность углекислого газа в кг/м 3 ;
- удельная теплоемкость, кДж/(кг·град);
- , Вт/(м·град);
- динамическая вязкость, Па·с;
- температуропроводность, м 2 /с;
- кинематическая вязкость, м 2 /с;
- число Прандтля.
Примечание: будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 2 . Не забудьте разделить на 100!
Теплофизические свойства углекислого газа CO 2 при атмосферном давлении
В таблице даны теплофизические свойства углекислого газа CO 2 в зависимости от температуры (в интервале от -75 до 1500°С) при атмосферном давлении. Даны следующие теплофизические свойства углекислого газа:
- , Па·с;
- коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град);
- число Прандтля.
По данным таблицы видно, что с ростом температуры теплопроводность и динамическая вязкость углекислого газа также увеличиваются. Примечание: будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 2 . Не забудьте разделить на 100!
Теплопроводность углекислого газа CO 2 в зависимости от температуры и давления
теплопроводности углекислого газа CO 2 в интервале температуры от 220 до 1400 К и при давлении от 1 до 600 атм. Данные выше черты в таблице относятся к жидкому CO 2 .
Следует отметить, что теплопроводность сжиженного углекислого газа при увеличении его температуры снижается , а при увеличении давления — растет. Углекислый газ (в газовый фазе) становится более теплопроводным, как при увеличении температуры, так и при росте его давления.
Теплопроводность в таблице дана в размерности Вт/(м·град). Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000!
Теплопроводность углекислого газа CO 2 в критической области
В таблице представлены значения теплопроводности углекислого газа CO 2 в критической области в интервале температуры от 30 до 50°С и при давлении .
Примечание: будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000! Теплопроводность в таблице указана в Вт/(м·град).
Теплопроводность диссоциированного углекислого газа CO 2 при высоких температурах
В таблице представлены значения теплопроводности диссоциированного углекислого газа CO 2 в интервале температуры от 1600 до 4000 К и при давлении от 0,01 до 100 атм. Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000!
В таблице представлены значения теплопроводности жидкого углекислого газа CO 2
на линии насыщения в зависимости от температуры.
Примечание: Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 10 3 . Не забудьте разделить на 1000!
Теплопроводность в таблице указана в Вт/(м·град).
Энциклопедичный YouTube
-
1 / 5
Оксид углерода(IV) не поддерживает горения . В нём горят только некоторые активные металлы: :
2 M g + C O 2 → 2 M g O + C {\displaystyle {\mathsf {2Mg+CO_{2}\rightarrow 2MgO+C}}}Взаимодействие с оксидом активного металла:
C a O + C O 2 → C a C O 3 {\displaystyle {\mathsf {CaO+CO_{2}\rightarrow CaCO_{3}}}}При растворении в воде образует угольную кислоту :
C O 2 + H 2 O ⇄ H 2 C O 3 {\displaystyle {\mathsf {CO_{2}+H_{2}O\rightleftarrows H_{2}CO_{3}}}}Реагирует со щёлочами с образованием карбонатов и гидрокарбонатов:
C a (O H) 2 + C O 2 → C a C O 3 ↓ + H 2 O {\displaystyle {\mathsf {Ca(OH)_{2}+CO_{2}\rightarrow CaCO_{3}\downarrow +H_{2}O}}} (качественная реакция на углекислый газ) K O H + C O 2 → K H C O 3 {\displaystyle {\mathsf {KOH+CO_{2}\rightarrow KHCO_{3}}}}Биологические
Организм человека выделяет приблизительно 1 кг (2,3 фунта) углекислого газа в сутки .
Этот углекислый газ переносится от тканей, где он образуется в качестве одного из конечных продуктов метаболизма, по венозной системе и затем выделяется с выдыхаемым воздухом через лёгкие. Таким образом, содержание углекислого газа в крови велико в венозной системе, и уменьшается в капиллярной сети лёгких, и мало в артериальной крови. Содержание углекислого газа в пробе крови часто выражают в терминах парциального давления, то есть давления, которое бы имел содержащийся в пробе крови в данном количестве углекислый газ, если бы весь объём пробы крови занимал только он .
Углекислый газ (CO 2) транспортируется в крови тремя различными способами (точное соотношение каждого из этих трёх способов транспортировки зависит от того, является ли кровь артериальной или венозной).
Гемоглобин, основной кислород-транспортирующий белок эритроцитов крови, способен транспортировать как кислород, так и углекислый газ. Однако углекислый газ связывается с гемоглобином в ином месте, чем кислород. Он связывается с N-терминальными концами цепей глобина , а не с гемом . Однако благодаря аллостерическим эффектам, которые приводят к изменению конфигурации молекулы гемоглобина при связывании, связывание углекислого газа понижает способность кислорода к связыванию с ним же, при данном парциальном давлении кислорода, и наоборот - связывание кислорода с гемоглобином понижает способность углекислого газа к связыванию с ним же, при данном парциальном давлении углекислого газа. Помимо этого, способность гемоглобина к преимущественному связыванию с кислородом или с углекислым газом зависит также и от pH среды. Эти особенности очень важны для успешного захвата и транспорта кислорода из лёгких в ткани и его успешного высвобождения в тканях, а также для успешного захвата и транспорта углекислого газа из тканей в лёгкие и его высвобождения там.
Углекислый газ является одним из важнейших медиаторов ауторегуляции кровотока. Он является мощным вазодилататором . Соответственно, если уровень углекислого газа в ткани или в крови повышается (например, вследствие интенсивного метаболизма - вызванного, скажем, физической нагрузкой, воспалением, повреждением тканей, или вследствие затруднения кровотока, ишемии ткани), то капилляры расширяются, что приводит к увеличению кровотока и соответственно к увеличению доставки к тканям кислорода и транспорта из тканей накопившейся углекислоты. Кроме того, углекислый газ в определённых концентрациях (повышенных, но ещё не достигающих токсических значений) оказывает положительное инотропное и хронотропное действие на миокард и повышает его чувствительность к адреналину , что приводит к увеличению силы и частоты сердечных сокращений, величины сердечного выброса и, как следствие, ударного и минутного объёма крови. Это также способствует коррекции тканевой гипоксии и гиперкапнии (повышенного уровня углекислоты).
Ионы гидрокарбоната очень важны для регуляции pH крови и поддержания нормального кислотно-щелочного равновесия. Частота дыхания влияет на содержание углекислого газа в крови. Слабое или замедленное дыхание вызывает респираторный ацидоз , в то время как учащённое и чрезмерно глубокое дыхание приводит к гипервентиляции и развитию респираторного алкалоза .
Кроме того, углекислый газ также важен в регуляции дыхания. Хотя наш организм требует кислорода для обеспечения метаболизма, низкое содержание кислорода в крови или в тканях обычно не стимулирует дыхание (вернее, стимулирующее влияние нехватки кислорода на дыхание слишком слабо и «включается» поздно, при очень низких уровнях кислорода в крови, при которых человек нередко уже теряет сознание). В норме дыхание стимулируется повышением уровня углекислого газа в крови. Дыхательный центр гораздо более чувствителен к повышению уровня углекислого газа, чем к нехватке кислорода. Как следствие этого, дыхание сильно разрежённым воздухом (с низким парциальным давлением кислорода) или газовой смесью, вообще не содержащей кислорода (например, 100 % азотом или 100 % закисью азота) может быстро привести к потере сознания без возникновения ощущения нехватки воздуха (поскольку уровень углекислоты в крови не повышается, ибо ничто не препятствует её выдыханию). Это особенно опасно для пилотов военных самолётов, летающих на больших высотах (в случае аварийной разгерметизации кабины пилоты могут быстро потерять сознание). Эта особенность системы регуляции дыхания также является причиной того, почему в самолётах стюардессы инструктируют пассажиров в случае разгерметизации салона самолёта в первую очередь надевать кислородную маску самим, прежде чем пытаться помочь кому-либо ещё - делая это, помогающий рискует быстро потерять сознание сам, причём даже не ощущая до последнего момента какого-либо дискомфорта и потребности в кислороде .
Дыхательный центр человека пытается поддерживать парциальное давление углекислого газа в артериальной крови не выше 40 мм ртутного столба. При сознательной гипервентиляции содержание углекислого газа в артериальной крови может снизиться до 10-20 мм ртутного столба, при этом содержание кислорода в крови практически не изменится или увеличится незначительно, а потребность сделать очередной вдох уменьшится как следствие уменьшения стимулирующего влияния углекислого газа на активность дыхательного центра. Это является причиной того, почему после некоторого периода сознательной гипервентиляции легче задержать дыхание надолго, чем без предшествующей гипервентиляции. Такая сознательная гипервентиляция с последующей задержкой дыхания может привести к потере сознания до того, как человек ощутит потребность сделать вдох. В безопасной обстановке такая потеря сознания ничем особенным не грозит (потеряв сознание, человек потеряет и контроль над собой, перестанет задерживать дыхание и сделает вдох, дыхание, а вместе с ним и снабжение мозга кислородом восстановится, а затем восстановится и сознание). Однако в других ситуациях, например, перед нырянием, это может быть опасным (потеря сознания и потребность сделать вдох наступят на глубине, и в отсутствие сознательного контроля в дыхательные пути попадёт вода, что может привести к утоплению). Именно поэтому гипервентиляция перед нырянием опасна и не рекомендуется.
Получение
В промышленных количествах углекислота выделяется из дымовых газов, или как побочный продукт химических процессов, например, при разложении природных карбонатов (известняк , доломит) или при производстве алкоголя (спиртовое брожение). Смесь полученных газов промывают раствором карбоната калия, которые поглощают углекислый газ, переходя в гидрокарбонат. Раствор гидрокарбоната при нагревании или при пониженном давлении разлагается, высвобождая углекислоту. В современных установках получения углекислого газа вместо гидрокарбоната чаще применяется водный раствор моноэтаноламина , который при определённых условиях способен абсорбировать СО₂, содержащийся в дымовом газе, а при нагреве отдавать его; таким образом отделяется готовый продукт от других веществ.
Также углекислый газ получают на установках разделения воздуха как побочный продукт получения чистого кислорода, азота и аргона .
В лабораторных условиях небольшие количества получают взаимодействием карбонатов и гидрокарбонатов с кислотами, например мрамора , мела или соды с соляной кислотой , используя, например, аппарат Киппа . Использование реакции серной кислоты с мелом или мрамором приводит к образованию малорастворимого сульфата кальция, который мешает реакции, и который удаляется значительным избытком кислоты.
Для приготовления напитков может быть использована реакция пищевой соды с лимонной кислотой или с кислым лимонным соком. Именно в таком виде появились первые газированные напитки. Их изготовлением и продажей занимались аптекари.
Применение
В пищевой промышленности углекислота используется как консервант и разрыхлитель , обозначается на упаковке кодом Е290 .
Жидкая углекислота широко применяется в системах пожаротушения и в огнетушителях . Автоматические углекислотные установки для пожаротушения различаются по системам пуска, которые бывают пневматическими, механическими или электрическими .
Устройство для подачи углекислого газа в аквариум может включать в себя резервуар с газом. Простейший и наиболее распространенный метод получения углекислого газа основан на конструкции для изготовления алкогольного напитка браги . При брожении, выделяемый углекислый газ вполне может обеспечить подкормку аквариумных растений
Углекислый газ используется для газирования лимонада и газированной воды . Углекислый газ используется также в качестве защитной среды при сварке проволокой, но при высоких температурах происходит его распад с выделением кислорода. Выделяющийся кислород окисляет металл . В связи с этим приходится в сварочную проволоку вводить раскислители, такие как марганец и кремний . Другим следствием влияния кислорода, также связанного с окислением, является резкое снижение поверхностного натяжения, что приводит, среди прочего, к более интенсивному разбрызгиванию металла, чем при сварке в инертной среде.
Хранение углекислоты в стальном баллоне в сжиженном состоянии выгоднее, чем в виде газа. Углекислота имеет сравнительно низкую критическую температуру +31°С. В стандартный 40-литровый баллон заливают около 30 кг сжиженного углекислого газа, и при комнатной температуре в баллоне будет находиться жидкая фаза, а давление составит примерно 6 МПа (60 кгс/см²). Если температура будет выше +31°С, то углекислота перейдёт в сверхкритическое состояние с давлением выше 7,36 МПа. Стандартное рабочее давление для обычного 40-литрового баллона составляет 15 МПа (150 кгс/см²), однако он должен безопасно выдерживать давление в 1,5 раза выше, то есть 22,5 МПа,- таким образом, работа с подобными баллонами может считаться вполне безопасной.
Твёрдая углекислота - «сухой лёд» - используется в качестве хладагента в лабораторных исследованиях, в розничной торговле, при ремонте оборудования (например: охлаждение одной из сопрягаемых деталей при посадке внатяг) и т. д. Для сжижения углекислого газа и получения сухого льда применяются углекислотные установки .
Методы регистрации
Измерение парциального давления углекислого газа требуется в технологических процессах, в медицинских применениях - анализ дыхательных смесей при искусственной вентиляции лёгких и в замкнутых системах жизнеобеспечения. Анализ концентрации CO 2 в атмосфере используется для экологических и научных исследований, для изучения парникового эффекта . Углекислый газ регистрируют с помощью газоанализаторов основанных на принципе инфракрасной спектроскопии и других газоизмерительных систем . Медицинский газоанализатор для регистрации содержания углекислоты в выдыхаемом воздухе называется капнограф . Для измерения низких концентраций CO 2 (а также ) в технологических газах или в атмосферном воздухе можно использовать газохроматографический метод с метанатором и регистрацией на пламенно-ионизационном детекторе .
Углекислый газ в природе
Ежегодные колебания концентрации атмосферной углекислоты на планете определяются, главным образом, растительностью средних (40-70°) широт Северного полушария.
Большое количество углекислоты растворено в океане.
Углекислый газ составляет значительную часть атмосфер некоторых планет Солнечной системы : Венеры , Марса .
Токсичность
Углекислый газ нетоксичен, но по воздействию его повышенных концентраций в воздухе на воздуходышащие живые организмы его относят к удушающим газам (англ.) русск. . Незначительные повышения концентрации до 2-4 % в помещениях приводят к развитию у людей сонливости и слабости. Опасными концентрациями считаются уровни около 7-10 %, при которых развивается удушье, проявляющее себя в головной боли, головокружении, расстройстве слуха и в потере сознания (симптомы, сходные с симптомами высотной болезни), в зависимости от концентрации, в течение времени от нескольких минут до одного часа. При вдыхании воздуха с высокими концентрациями газа смерть наступает очень быстро от удушья .
Хотя, фактически, даже концентрация 5-7 % CO 2 не смертельна, уже при концентрации 0,1 % (такое содержание углекислого газа наблюдается в воздухе мегаполисов) люди начинают чувствовать слабость, сонливость. Это показывает, что даже при высоких содержаниях кислорода большая концентрация CO 2 сильно влияет на самочувствие.
Вдыхание воздуха с повышенной концентрацией этого газа не приводит к долговременным расстройствам здоровья и после удаления пострадавшего из загазованной атмосферы быстро наступает полное восстановление здоровья .