top

Гидрохимия воды

Активная реакция воды рН, или водородный показатель

Молекулы воды имеют свойство диссоциировать (распадаться) на катионы водорода Н+ и анионы гидроксила ОН-. Причём, в 10 000 000 литрах воды всего-лишь 18 г ( 1 моль) воды распадается на катионы Н+ и анионы ОН-, тем не менее эти ионы (катионы и анионы) очень сильно влияют на активную реакцию воды. Ионы в воде являются носителями кислотных (Н+) или щелочных свойств (ОН-). Если щелочные и кислотные ионы содержатся в равных количествах, то вода реагирует «нейтрально».

Значение рН (pondus hydrogenii - водородный показатель) характеризует концетрацию ионов Н+ и вычисляется по формуле: рН= -lg Н+.
Водородный показатель нейтральной воды обозначается как рН = 7. В кислой воде этот показатель ниже, чем 7; в щелочной выше, чем 7. Вода со значением рН= 6 содержит в 10 раз больше кислоты, чем вода с рН=7, а вода со значением рН= 5 содержит в 100 раз больше кислоты, чем вода с рН=7. Значение рН может быть изменено добавлением веществ изменяющих концетрацию ионов водорода. Например, все кислоты растворяются в воде обязательно с образованием иона Н+, уменьшая значение рН, т.е. подкисляя воду.
Вода в тропических реках слабокислая, рН = 5…6,8. Бывают исключения, например, в центральноафриканском озере Танганьика рН в среднем равен 9.

От величины pH сильно зависит развитие и жизнедеятельность водных растений. В аквариуме желательно иметь слабокислую воду с рН = 6,5...6,8. При потреблении CO2 растениями высвобождаются ионы ОН-, т.е. вода подщелачивается. Содержание ионов водорода в воде определяется в основном количественным соотношением концентраций угольной кислоты и ее ионов. Источником ионов водорода также являются также гумусовые кислоты.

рН Свойства воды
3...5 кислая
5,1...6,9 слабокислая
7 нейтральная
7,1...9 слабощелочная

Жесткость воды

Понятие жёсткости воды появилось давно из-за важного значения для народного хозяйства. Жесткая вода образует накипь на стенках нагревательных котлов и труб, чем существенно ухудшает их теплотехнические характеристики. Жесткая вода мало пригодна для стирки, плохо мылится. Жесткость – это очень важный параметр для аквариумной воды.
Жесткость воды, указанная в аквариумной литературе -это GH ( от немецкого Gesamthaerte, или по английски - General Hardness). GH обусловленна присутствием в воде катионов щёлочноземельных металлов, в первую очередь - это катионы кальция (Ca2+) и магния (Mg2+). Катионы бериллия, стронция и бария незначительно влияют на жёсткость воды в силу их малого количества.
Капельный аквариумный тест на GH отражает общую жесткость, он обнаружит все ионы кальция и магния, вне зависимости от того, из каких растворенных солей эти ионы попали в воду. Тест на GH не обнаруживает бикарбонаты калия (КНСО3), натрия (NaHCO3) и также карбонаты калия (K2CO3), натрия (NаCO3) и т.п.

Жесткость GH мг/л или ppm Характеристика воды
0°… 4°dGH 0…70 очень мягкая
4°… 8°dGH 70…140 мягкая
8°… 12°dGH 140…210 средней жёсткости
12°… 18°dGH 210…320 довольно жёсткая
18°… 30°dGH 320…530 жёсткая

1 ppm ( part per million ) = 1 мг/кг = 1 мг/л

Различают постоянную, временную и общую жесткость.
Постоянную жесткость вода приобретает при растворении сульфатов, хлоридов и некоторых других солей кальция и магния. В этом случае в воде наряду с катионами Ca2+ и Mg2+ имеются анионы SO42-, Cl- и др. При кипячении воды эти катионы и анионы не реагируют друг с другом и остаются в воде (в осадок не выпадают), отсюда произошло название - постояная жесткость.

Временная жесткость связана с присутствием в воде катионов Ca2+, Mg2+, Fe2+ и гидрокарбонатных анионов HCO3-. Карбонатная жесткость обусловлена присутствием в воде в основном гидрокарбонатов кальция и магния, она почти полностью устраняется при кипячении воды. Гидрокарбонаты при этом распадаются в осадок при этом выпадают карбонат кальция и гидроксид магния. Временную жёсткость часто называют карбонатной жёсткостью.
При кипячении воды гидрокарбонатные анионы вступают в реакцию с катионами и образуют с ними малорастворимые карбонатные соли, которые выпадают в осадок (CaCO3 - известь, накипь), отсюда и название - "временная" жёсткость.
Ca2+ + 2HCO3- = CaCO3 + H2O + CO2
Чем больше в воде железа, тем рыжее окраска у накипи, которая осаждается на стенках чайников при кипячении. Красно-бурый цвет накипи даёт выпадающий в осадок гидроксид железа - Fe(OH)3.
Иногда для смягчения воды аквариумисты кипятят воду. При этом в осадок (накипь) выпадают как карбонатные ионы кальция, магния, натрия калия, так и ионы кальция/магния, поэтому соответственно КН и GH снизятся.

Некарбонатная жесткость обусловлена присутствием кальциевых и магниевых солей серной, соляной, азотной кислот и при кипячении не устраняется.

Ионы Mn2+, Fe2+, Fe3+ в истинно растворенном состоянии находятся в очень небольших концентрациях. Большая часть железа и марганца в природных водах содержится в виде коллоидов и суспензий. В подземных водах преобладают соединения железа и марганца в виде гидрокарбонатов, сульфатов и хлоридов, в поверхностных – в виде органических комплексных соединений например, гуминовокислых) или в виде высокодисперсной взвеси. Общая жесткость GH (или TH) - это сумма временной и постоянной жесткостей, т.е. суммарное количество разных солей кальция и магния.

Кроме понятия GH, широко применяется понятие минерализация воды, которая охватывает присутствие в воде всех солей. Разница между этими двумя понятиями существенная. К примеру, минерализацию можно поднять, растворив в воде любую соль. Аквариумисты с этой целью иногда используют поваренную соль (хлорид натрия – NaCl). Растворение в воде поваренной соли увеличивает минерализацию, но GH не поднимает (!), т.к. жесткость GH связана с растворенными в воде солями кальция и магния.

В СССР с 1952 года, жесткость воды для технических и гигиенических нужд выражается в мг-экв/л (до этого - в немецких градусах). Согласно ГОСТу, жесткость воды выражают в миллиграмм-эквивалентах кальция или магния на 1 л воды.
1 мг-экв/л жесткости соответствует содержанию 20,04 мг/л кальция (Ca2+) или 12,16 мг/л магния (Mg2+).
Выражение жесткости в миллиграмм-эквивалентах на литр воды удобнее, чем градусы. Тем не менее, в аквариумной литературе разных стран, жесткость до сих пор измеряют в устаревших градусах жёсткости, причем в каждой стране в свои градусы, отличных от всех остальных. Идентичны только русские и немецкие градусы жесткости, которые давно официально отменны в этих странах, но упорно существуют в аквариумных книгах. Можно смело сказать - в аквариумной литературе градусы жёсткости будут применять очень долго !

1°dGH общей жёсткости = 7,15 мг/л Ca2+ или 4,34 мг/л Mg2+

Немецкий градус (dGH): 1° = 10 мг оксида кальция - СаО в 1 л воды, или 7.194 мг оксида магния MgO в 1 л воды.
Американский градус (usH): 1° = 17.12 мг/л СаСО3.

dGH (dH) и dKH наиболее часто употребляется в аквариумистике как единицы измерения жесткости, причем обозначение dGH - относится к общей жесткости, dKH - к карбонатной.

1° немецкий градус (dGH) = 17.9 ppm = 17.9 мг/л

Это соотношение часто приводится в иностранной аквариумной литературе и это сбивает с толку, ведь выше было написано, что 1°dGH = 10 мг оксида кальция (СаО) в 1 л воды. Оказывается, что 17.9 мг/л соответствует такому количеству СаСО3, каторое содержит столько же кальция, сколько его содержится в 10 мг СаО. То есть соотношение выражает эквивалентное по кальцию количество СаСО3 !
Из этого следует, что жесткость в 1°dGH соответствует концентрации иона кальция равной 7,14 мг/л или концентрации иона магния равной 6 мг/л.

Японские аквариумисты часто применяют термин ТН (Total Hardness) - общая жёсткость. TH - это тоже самое, что GH (от немецкого Gesamthaerte). GH = TH, или 1°dGH = 1°GTH.
Японский аквадизайнер Амано Такаши нередко в своих аквариумах применяет очень мягкую воду с ТН = 20 мг/л. Переведём в немецкие градусы: ТН = 20/17,9 = 1,1° dGH.

Главный недостаток градусов, как единиц измерения жесткости, в том, что они показывают содержание кальция и магния в ПЕРЕСЧЕТЕ на окись или на карбонатную соль. Градусы - это УСЛОВНЫЕ единицы. На самом деле окись кальция (СаО) в воде существовать не может. CaCO3 (известь) - это малорастворимое в воде вещество: при температуре 25°С растворяется лишь 6,7 мг/л, что может поднять ее жесткость лишь до 0,24 мг-экв/л, или dGH=0,67°.

Если аквариумист сделает тест и хочет узнать, сколько же в воде присутствует ионов кальция и магния, то узнает он сколько там БЫЛО БЫ СаО или CaCO3, если бы массу действительно присутствующих в воде ионов кальция Ca2+и магния Mg2+ пересчитать на эквивалентное количество этих веществ, которых на самом деле в воде нет !
С градусами жесткости существует путаница в книгах по аквариумистике из разных стран из-за того, что авторы книг ссылаются друг на друга используя некорректные переводы...

KH и щелочность

KH (carbonate hardness)- это карбонатная жесткость, т.е. содержание растворенных в воде гидрокарбонатов (бикарбонатов): кальция, магния, калия (KHCO3), натрия (NaHCO3) и карбонатов: кальция (CaCO3), магния (MgCO3), калия (K2CO3), натрия (Na2CO3) и др. В аквариумной воде присутствуют бикарбонаты (HCO3), а карбонаты (CO3) присутствуют при рН более 9. КН часто называется временной жесткостью. Как часть общей жёсткости, КН, как правило, меньше GH.
Карбонатная жёсткость (буферность), определяется ионами гидрокарбоната НСО3-. Содержание НСО3- выраженное в мг-экв/л переводится в немецкие градусы карбонатной жесткости (dKH) - умножением на коэффициент 2.8 и обратно, соответственно, умножением на 0.36.

0,36 * 1°dКH = 1 мг-экв/л карбонатной жесткости

Если известны результаты анализа HCO3 в мг/л, то для пересчёта в градусы °dКH применяется следующая формула:

°dКH = [HCO3 в мг/л] / 22

Например, в бассейне Амазонки вода имеет 21 мг/л HCO3. Переведём в карбонатные градусы = 21 / 22 = 0,95°dКH, т.е. в Амазонке очень мягкая вода !

КН имеет очень большое значение при выращивании аквариумных растений, т.к. от КН сильно зависит рН воды и насыщаемость воды углекислом газом.
Применяемые в аквариумистике капельные тесты KH измеряют не KH (карбонатную жесткость), а щелочность.

Щелочность - alkalinity - это общее содержание анионов всех слабых кислот, а также гидроксильного иона OH-. В число слабых кислот включается угольная кислота (H2CO3), солями которой являются карбонаты и гидрокарбонаты. Гидрокарбонатные анионы кальция и магния дают вклад в щелочность воды. Но вклад в щелочность ещё дают прочие карбонаты и гидрокарбонаты, например - сода (NaHCO3), поташ (K2CO3), а также другие соли слабых кислот (ортофосфорная, кремниевая, гуминовые и т.п.).

КН входит в понятие буферности - это способность воды сопротивляться изменениям рН при добавлении кислот или щелочей. Все аквариумные тесты КН основаны на методе титрование воды кислотой: сколько потребуется добавить капель кислоты в 5 мл тестируемой воды, чтобы резко уронить рН, сломав сопротивление КН - буфера ? Таким образом - этот тест оценивает совокупную буферность воды. Бикарбонаты и карбонаты - это не единственные анионы, отвечающие за буферность. Фосфаты и бораты тоже увеличивают буферность раствора. Однако, их количества малы в пресноводных аквариумах, поэтому ими принебрегают.
КН лучше называть - КН буфером. Вода из крана чаще всего обладает высокой буферностью (КН = 7°...15°) и рН более 7,5, а мягкая вода обладает малой буферностью и слабокислой или нейтральной рН.
Откуда в природе вода получает растворенные вещества ? Дождевые капли проходя через атмосферу реагируют с атмосферным углекислым газом, в результате чего получается угольная кислота:
CO2 + H20 -> H2CO3.
Такая вода, протекая по известковым залежам набирает кальций/магний и карбонаты/бикарбонаты. В основном - это взаимодействие угольной кислоты с известняком (карбонатом кальция), в результате чего получается бикарбонат кальция: H2CO3 + CaCO3 -> Ca(HCO3)2. Такая же реакция происходит между угольной кислотой и карбонатом магния с образованием бикарбоната магния.
Если данная местность не имеет известковых залежей, то вода останется мягкой. Протекая через пласты гниющей листвы в тропиках, вода теряет GH и KH (в присутствии органических кислот) и становится кислой.

TDS - общее количество растворенных в воде солей

Рыбу, с точки зрения физиологии, "интересует" общее количество растворенных в воде солей. Этот параметр называется TDS - Total Dissolved Solids.
Точным способом определения TDS является выпаривание воды и взвешивание сухого остатка. Однако, такой способ сложен, требует точных весов. Поэтому применяется метод измерения проводимости воды. Основные неорганические ионы, составляющие TDS в обычной воде - это кальций, магний, натрий, железо, марганец, хлорид, бикарбонат, сульфат и нитрат. Любое растворенное в воде вещество влияет на электропроводность. Зная TDS, можно оценить, насколько вода в аквариуме далека от дистиллированной.
Для измерения TDS промышленность выпускает прибор типа conductivity meter. Эти приборы весьма точны и имеют температурную компенсацию. Западные аквариумисты всё активнее используют TDS тестеры и всё реже используют аквариумные капельные тесты на GH. Российские аквариумисты мало знают про электронный TDS тестер. Напрасно ! TDS тестер весьма полезен в аквариумном хозяйстве. Такой тестер обязательно нужен при использовании аквариумистом обессоленной с помощью RO фильтра (обратный осмоз) воды. Точности TDS тестера достаточно не только для аквариумистов, но и для специалистов по охране окружающей среды, биологов и технологов.

Минерализацию воды характеризует удельная электропроводность - EC (Electrical conductivity). ЕС измеряется в мкСм/см (микроСименсы на сантиметр).

Для приблизительной оценки минерализации (содержание солей в мг/л ) используют эмпирическое соотношение:

TDS = 0,64 · EC

В этой формуле EC измеряется в мкСм/cм.
Величина коэффициента (0,64) колеблется в зависимости от типа воды в диапазоне 0,55…0,75.
Удельная проводимость абсолютно чистой воды равна 0,05 мкСм/cм (теория), в реальности такой воды не существует.

В связи с новизной TDS тестеров аквариумисты часто путаются в терминологии. На форумах обычно пишут: "...я измерил свою воду, оказалось - TDS=400". Это ошибка, на самом деле надо было написать: удельная электропроводность ЕС=400 мкСм/см. Большинство марок тестеров измеряют именно ЕС ! Для вычисления TDS надо результат EC умножить на коэффициент 0,64.
TDS = 400 · 0,64 = 256 мг/л = 256 ppm.
Обычно аквариумисты не занимаются пересчётом в ppm, в этом нет особого смысла. Чаще используют показания удельной электропроводности в мкСм/cм.
Некоторые модели тестеров могут показывать результаты измерений не только мкСм/см, но и в ppm (мг/л).




Окислительный потенциал (redox potential, ORP, rH)

Этот параметр характеризует качество аквариумной среды, ее чистоту. Низкий ORP означает, что в воде много органики.
Существуют два вида реакций - окислительные и восстановительные.
Окислителями называются вещества, присоединяющие электроны. Во время реакции они восстанавливаются. Атомы кислорода или хлора, "нуждаются" в электронах и поэтому являются окислителями.
Пример - это нитратный цикл, в результате которого аммиак превращается в нитраты.

Восстановителями называются вещества, отдающие электроны. Во время реакции они окисляются.
Например, водород и железо, имеют "лишние" электроны - являются восстановителями.

Важнейшие восстановители:
тиосульфат (гипосульфит) натрия Na2S2O3;
Натрия гидросульфит Na2S2O4;
Сульфит натрия Na2SO3;
Спирт (водка);
Аскорбиновая кислота;
Глюкоза;
Сероводород H2S;
аммиак NH3;
Металлы;
водород;
уголь С;
оксид серы (IV) SO2;
сернистая кислота H2SO3 и ее соли.
Катионы металлов в низших степенях окисления: SnCl2, FeCl2, MnSO4, Cr2(SO4)3.
Азотистая кислота HNO2.

Важнейшие окислители:
Кислород и озон - сильнейшие окислители;
Галогены: фтор, хлор, йод;
Перманганат калия KMnO4;
манганат калия K2MnO4;
оксид марганца (IV) MnO2;
Азотная кислота HNO3;
Серная кислота H2SO4 конц.
Оксид меди (II) CuO;
оксид серебра Ag2O;
пероксид водорода H2O2;
Хлорид железа(III) FeCl3.

В водном растворе пероксид водорода проявляет и окислительные и восстановительные свойства. Окислительные свойства Н2О2 выражены сильнее, чем восстановительные свойства.
Поэтому, в аквариумизме пероксид водорода применяют как окислитель: например, он окисляет нитриты в нитраты. А как восстановитель, к сожалению, в аквариумной воде пероксид водорода не работает.

Разность зарядов окислителей и восстановителей в воде и называется окислительно-восстановительным потенциалом. Если окислителей в воде больше, то потенциал положителен и наоборот. ORP измеряется в милливольтах, оптимальное значение лежит между 250 и 400 mV. Измерять ORP сложно (значительно сложнее чем рН), даже при наличии дорогого измерителя ORP. Я не рекомендую аквариумистам покупать прибор для измерения ORP.

Разложение органики в воде является окислительной реакцией. Накопление органики в воде приводит к увеличению концентрации восстановителей и уменьшает значение ORP.
Чем выше значение ORP, тем больше окислителей (в основном кислорода) присутствует в воде, тем больше органики может быть разложено. Значение ORP зависит от многих факторов и может колeбaться. В аквариуме ORP уменьшается при повышении температуры, понижении pH и др.
Увеличить ORP можно регулярной сменой воды, чисткой аквариума, продувкой воздуха и использованием озона (озон применяется только для морских аквариумов).

Высокий ORP (избыток кислорода) вреден для растений, тормозит их рост и может разрушать живые клетки (некроз). По этой причине в "голландском" аквариуме берегут ил (восстановитель) и редко сифонят грунт. Я никогда не сифоню грунт в своих аквариумах !

В высокотехнологичных аквариумах (с сильном светом) часто возникает избыток кислорода и нехватка восстановителей. К сожалению, применение в качестве восстановителей: водки, аскорбиновой кислоты или глюкозы часто приводит к отрицательным ( и даже катастрофическим !) результатам из-за трудностей в подборе дозы этих восстановителей, т.к. эти восстановители имеют специфические недостатки. Мне пока не известны восстановители, которые не имеют побочных эффектов и хорошо подходят для аквариумистики.

Наибольшее значение на аквариумную среду оказывает "деятельность" биофильтра. Именно от работы биофильтра во многом зависит благополучие аквариума.

next Next, перейти к следующей статье



Последнее обновление:
<noframes>