Коротко: углекислый газ в воде действует как слабая кислота потому, что он вступает в обратимые протонные равновесия с водой с малыми значениями констант диссоциации; это формирует карбонатную систему, даёт буферную ёмкость воды и при повышении $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ понижает pH и концентрацию карбонат-ионов, что влияет прежде всего на кальцифицирующие организмы и структуру сообществ.
Пояснения и ключевые уравнения:
- В воде происходят реакции
$$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2(\mathrm{aq})+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons {\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3\rightleftharpoons {\mathrm{H}}^{+}+\mathrm{HC}{\mathrm{O}}_3^{-}\rightleftharpoons 2{\mathrm{H}}^{+}+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3^{2-}.$$ - Константы равновесия записываются как
$$K_1=\frac{[H^{+}][HC{O}_3^{-}]}{[C{O}_2(aq)]},K_2=\frac{[H^{+}][C{O}_3^{2-}]}{[HC{O}_3^{-}]}.$$ Их значения соответствуют $p{K}_{a1}\approx 6.35$ и $p{K}_{a2}\approx 10.33$. Малые изменения $[H^{+}]$ при данных $K$ означают, что система — слабая кислота/буфер.
- При типичном природном pH (реки ~6–8, морская вода ≈8.1) преобладает форма $\mathrm{HC}{\mathrm{O}}_3^{-}$; доля свободного ${\mathrm{H}}^{+}$ невелика, поэтому CO2 считается слабой кислотой, но его увелечение заметно сдвигает равновесие.
Влияние на карбонатную систему и буферность:
- Алкалinity (щелочность) выражается как суммарная способность нейтрализовать протоны, приблизительно
$$\mathrm{Alkalinity}\approx [HC{O}_3^{-}]+2[C{O}_3^{2-}]+[O{H}^{-}]-[H^{+}].$$ Чем выше алкалinity, тем сильнее буферная защита от изменения pH.
- Увеличение $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ (атмосферное или дыхание) даёт рост $[H^{+}]$, снижение pH и перераспределение углерода: $C{O}_3^{2-}\to HC{O}_3^{-}$. Следствие — уменьшение концентрации карбоната $[C{O}_3^{2-}]$.
Последствия для биологических сообществ:
- Кальцификаторы (кораллы, моллюски, некоторые планктонные организмы) зависят от карбонат-ионов для строительства скелетов; степень насыщения определяется как
$$\Omega =\frac{[C{a}^{2+}][C{O}_3^{2-}]}{K_{sp}}.$$ При понижении $[C{O}_3^{2-}]$ снижается $\Omega$ — замедляется кальцификация и возрастает риск растворения скелетов (особенно при $\Omega <1$).
- Снижение pH и изменение карбонатного баланса вызывает стресс: уменьшение роста, изменённая метаболическая ставка, ослабление личинок и ювенильных стадий, сдвиги видового состава и пищевых сетей.
- Биологические процессы амплифицируют изменения: фотосинтез повышает pH (поглощая CO2), дыхание и разложение понижают pH; локальные циклы и гидрология определяют экспозицию сообществ к закислению.
- В пресных водах с низкой щелочностью небольшие добавки CO2 даёт более сильное падение pH, поэтому пресноводные сообщества часто чувствительнее.
Короткий вывод: CO2 в воде — слабая кислота, формирующая карбонатную систему, которая даёт буферность; повышение CO2 снижает pH и карбонат-ионную концентрацию, что особенно вредно для организмов, строящих карбонатные структуры, и приводит к изменению экосистемных процессов.