При рН = 8 в богатых кальцием поверхностных
водах суши в присутствии атмосферного углекислого газа и осадка извести
существенную роль играют следующие равновесные обменные реакции:
Увеличение значения рН воды – вследствие улетучивания
углекислого газа при повышении температуры либо из-за поглощения
углекислого газа и гидрокарбоната ассимилирующими их водными растениями
на свету – благоприятствует образованию карбоната, и
равновесие реакции (7) смещается вправо, так что весьма легко выпадает
труднорастворимый осадок извести.
Таким образом, при отводе углекислого газа из равновесной системы
углекислота-карбонат гидрокарбонат распадается на карбонат, углекислый
газ и воду. В природе это может привести к повышению значения рН до 11.
При величине рН такого порядка рыбы сразу же погибают. Если же,
наоборот, углекислый газ поступает в равновесную систему извне, а
именно при процессах дыхания живых существ, особенно в почвах и более
глубоких слоях стоячих вод, откуда углекислый газ почти или совсем не
может улетучиться в атмосферу, то равновесия смещаются в сторону
образования гидрокарбоната. Это может привести к полному растворению
извести и преобразованию карбоната в гидрокарбонат:
Следовательно, избыток диоксида (углекислого газа)-в форме так
называемой агрессивной углекислоты – растворяет карбонат,
переводя его в гидрокарбонат. В частности, по этой причине в
глубоководных участках моря отсутствуют известковые отложения, подобные
тем, что встречаются в более мелководных зонах. Оседающие вниз
известковые остатки отмерших животных из верхних слоев воды быстро
растворяются на глубине; точно так же обитающие там живые существа не в
состоянии построить себе нужный известковый скелет, раковину или
панцирь. При выходе воды, богатой углекислотой и гидрокарбонатом, на
поверхность (в виде источников) избыточный углекислый газ улетучивается
в атмосферу, пока его концентрация в воде не достигнет значения,
отвечающего равновесной растворимости (см. уравнение реакции 1).
Параллельно протекает обратный процесс образования карбонат-ионов,
которые в конечном счете соединяются с ионами кальция и выпадают в
осадок в виде извести (отложение известковых туфов, натеков и накипей).
Особенно наглядно проявляются процессы растворения известняков и
отложения извести в карстовых областях. С повышением величины рН и
температуры воды растворимость извести уменьшается. Очевидно, что в
этих условиях водным животным становится легче усваивать Са
+ + и НСО–3
/CO– –3
-ионы и
осаждать их в форме извести. Ведь у животных,
населяющих теплые моря, известковые раковины или домики, вообще говоря,
крупнее и имеют более толстые стенки, чем у родственных им форм или
видов из более про хладных областей. А кораллы вообще находят
благоприятные условия для возведения своих мощных рифовых построек
только вблизи поверхностных слоев воды теплых морей.
В глубоких слоях стоячих поверхностных вод в теплое время года
фиксируются вертикальные отрицательные градиенты температуры и рН.
Характер их изменения дает основание разделить всю толщу воды на три
зоны: верхний слой – более теплый, перемешиваемый и
пронизанный светом (питательный слой), тонкий подстилающий слой, в
котором многие факторы испытывают скачкообразные изменения (слой
скачка), и глубинный слой – прохладный, неперемешиваемый,
скудно освещенный, населенный преимущественно животными и бактериями
(слой разрушения).
Система углекислота-карбонат определяется не только значениями рН
кальциевых вод, но также – в зависимости от величины рН и
общей концентрации растворенных компонентов – и их буферную
способность по отношению к влияниям посторонних ионов, особенно
водородных и гидроксильных. Буферная способность этой системы, то есть
способность поддерживать постоянную величину рН, больше всего вблизи
нейтральной точки (при рН ~ 7), а за пределами интервала значений рН =
4-13 полностью утрачивается. Важнейшим буферным соединением служит
гидрокарбонат, способный нейтрализовать кислоты и основания:
Гидрокарбонат, следовательно, принимает на себя более или менее
значительную часть добавляемых водородных или гидроксильных ионов,
благодаря чему значение рН раствора изменяется незначительно. Таким
путем равновесная система углекислота-карбонат стабилизирует уровень рН
воды. Высокими буферными свойствами обладает морская вода, рН которой
составляет в общем от 7 до 8,5, что соответствует слабощелочной
реакции. Значения рН некоторых пресных вод – в зависимости от
характера водоема, глубины, времени суток или года и ряда других
факторов – колеблются гораздо сильнее. Воды со слабыми
буферными свойствами весьма чувствительны к вредным воздействиям
добавок электролитов. Так, рН бедных кальцием ручьев может опускаться
от 7 до 4 и ниже вследствие внезапного поступления в них кислот с
дождевыми или талыми водами, например гуминовых кислот из остатков
отмерших растений (возможно, вынесенных из кислых почв еловых лесов).
Подчас это становится причиной гибели рыб. В водоемах, богатых
питательными веществами, несмотря на повышенное содержание кальция,
могут наблюдаться значительные временные и пространственные градиенты
рН, так как баланс углекислоты в них непрерывно меняется с глубиной, со
временем суток или года вследствие процессов фотосинтеза богатой водной
растительности, зависимых от дневного света и постоянных процессов
дыхания всех живых существ.