Содержание углекислого газа в атмосфере относительно небольшое, около 0,03 % (по объему). Углекислый газ, сосредоточенный в атмосфере, имеет массу 2200 биллионов тонн.

В 60 раз больше углекислого газа содержится в растворенном виде в морях и океанах.

В течение каждого года из атмосферы извлекается примерно 1/50 часть всего содержащегося в ней CO2 растительным покровом земного шара в процессе фотосинтеза, превращающего минеральные вещества в органические.

Основная масса углекислого газа в природе образуется в результате различных процессов разложения органических веществ. Углекислый газ выделяется при дыхании растений, животных, микроорганизмов. Непрерывно увеличивается количество углекислого газа, выделяемого различными производствами. Углекислый газ содержится в составе вулканических газов, выделяется он и из земли в вулканических местностях.

1. Законы растворения  

Оксид углерода CO2 — бесцветный газ без запаха. Он примерно в 1, 5 раза тяжелее воздуха. Малорастворим в воде (при комнатной температуре в 1 объёме воды растворяется 0,88 объёма CO2).

Концентрация растворенного газа пропорциональна его парциальному давлению:

C = k_H ⋅ P_CO₂

где

⦁ ( C ) — молярная концентрация растворённого CO₂

⦁ ( k_H ) — постоянная Генри (зависит от температуры)

⦁ (P_CO2 ) — парциальное давление CO₂ в газовой фазе.

2. Химические превращения CO₂ в воде

В водной среде CO₂ находится в равновесии с тремя формами:

1. Физически растворённый CO₂

2. Молекулы угольной кислоты (H₂CO₃)

3. Ионы: гидрокарбонат (HCO₃⁻), карбонат (CO₃²⁻)

При растворении CO₂ в воде происходит химическая реакция с образованием угольной кислоты (H₂CO₃):

Угольная кислота в дальнейшем может диссоциировать, образуя бикарбонат (HCO₃⁻):

и карбонат (CO₃²⁻) и ионы водорода (H⁺), что приводит к изменению pH раствора:

Большая часть CO₂ в воде присутствует в виде гидрокарбонат-ионов HCO₃⁻

3. Буферная система океана

Смесь (CO₂/HCO₃⁻/CO₃²⁻) и позволяет воде сопротивляться изменениям pH при добавлении кислот или оснований — это так называемая карбонатно-гидрокарбонатная буферная система. 

Буферные ёмкости определяются уравнениями диссоциации:

K₁: H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻ ; pK₁ ≈ 6.3
K₂: HCO₃⁻ ⇌ H⁺ + CO₃²⁻; pK₂ ≈ 10.3

 4. Экологические и биохимические аспекты

Растворение CO₂ поддерживает стабильно слабощелочную реакцию морской воды (pH ≈ 8.1). При увеличении атмосферного CO₂ повышается растворённый CO₂ — смещаются равновесия, вода становится кислее (процесс «океанической ацидификации»).  

Карбонатные буферы защищают морские организмы от резких колебаний pH, но повышение CO₂ уменьшает концентрацию карбонат-ионов, что препятствует кальцификации раковин.

В последние десятилетия острота проблемы подкисления океанов возросла из-за увеличения концентрации CO₂ в атмосфере. При повышении уровня CO₂ больше углекислого газа растворяется в воде, что приводит к повышению концентрации угольной кислоты и, соответственно, к понижению pH океанической воды.

Последствия:

1. Подкисление: Это явление угрожает коралловым рифам, моллюскам и другим организмам, которые образуют карбонатные структуры, так как их способность к кальцификации снижается в более кислой среде.
2. Изменение экосистем: Снижение pH может приводить к изменениям в химическом составе воды, влияя на доступные питательные вещества и, следовательно, на пищевые цепи в океанах.