Жесткость воды

Автор: larry/creative.net (Larry Frank)
16 Дек 1997
Перевод на русский язык: Е.Л. (yevlem@yahoo.com)
Оригинальный текст:  http://www.thekrib.com/Plants/CO2/hardness-larryfrank.html

После прочтения всех сообщений, касающихся жесткости и щелочности, я попытался пройтись по аквариумной литературе, имеющейся в моем распоряжении и внести некоторую ясность во все различные определения. Я также постарался понять как это все влияет на содержание CO2 в воде. Нижеуказанное является плодом моих трудов. Выражаю благодарность Дейву ( eworobe-at-cc.UManitoba.CA) за его помощь в разъяснении понятия щелочности. Ответственность за ошибки я принимаю на себя, а не на него.

Жесткость воды

Все источники пресной воды содержат кальций и магний в различных количествах. Эти элементы присутствуют в виде катионов с ²⁺ зарядом. Соединяясь с отрицательно-заряженными анионами, они образуют соли. Наиболее важными анионами являются бикарбонаты HCO ₃^-, карбонаты CO₃^2- и сульфаты SO₄^2- .

Общая жесткость (GH) измеряет катионы (положительный заряд) кальция и магния.

Карбонатная жесткость (KH) относится только к анионам бикарбоната и карбоната (отрицательный заряд), но не измеряет сульфаты и прочие анионы.

Карбонатная жесткость явялется путанным термином потому что ссылается на жесткость, но в реальности имеет отношение к щелочности (способности раствора противостоять изменению pH при добавлении кислоты) карбонатного и бикарбонатного происхождения. Прочие анионы (такие как гидроксиды, бораты, силикаты и фосфаты) также могут влиять на щелочность. Чтобы быть абсолютно корректным, вам НИКОГДА не следует использовать термин 'KH'; в то же время, он часто используется в аквариумной литературе. Следует отметить, что все таки бикарбонатная/карбонатная буферная система представляет большинство щелочности в аквариумах с аквариумными растениями.

KH и GH обычно близки между собой, но GH может быть такой же, большей или меньшей чем KH, в зависимости от содержания катионов и анионов в образце. Например, большое количество NaHCO₃ поднимет показатель (KH), но не окажет влияния на (GH). Большое количество MgSO₄ поднимет показатель (GH),но не (KH).

Обычно, в пресной воде большинствок атионов представлены кальцием и магнием ( в пропорции 3:1) и большинство анионов – карбонатами. Уровни (GH) и (KH) часто будут похожими.

Единицы измерения

Было бы разумным измерять общую жесткость через количество ионов/литр или молярность, но эти единицы не используются. Общераспространенными единицами измерения, используемыми в литературе, являются градусы общей жесткости dGH (GH) из немецкой системы или промили (ppm –parts per million – частиц на миллион) Ca из CaCO₃. Карбонатная жесткость (KH) –это термин, который не имеет ничего общего с жетскостью, но представляет собой количественный эквивалент карбоната и бикарбоната, который влияет на щелочность или кислотную буфферную емкость. (KH) соотносится с промилями CO₃ из CaCO_3.

Перевод из dGH и dKH в промили CaCO₃ может быть произведен путем умножения на 17.86

Как был получен коэффициент перевода:

По определению, 1dGH = 10 мг/литр CaO

Атомный вес Ca = 40, O = 16, CaO = 56

Таким образом, 10 мг/литр CaO содержит 40/56 *10 = 7.143 мг/литр Ca

По определению, промили ( ppm )Ca определяют не элементарный кальций , но миллионые частицы CaCO₃.

Атомный вес CaCO₃ = 100

Таким образом, 7.143 мг/литр элементарного Ca будут выражены как 100/40 * 7.143 = 17.8575 мг/литр (промили)CaCO₃.

1dGH = 17.86 промили CaCO₃ и 7.143 промили Ca²⁺.

(KH)

1 dGH определяется как 10 мг/литр CaO, что может быть выражено в промилях CaCO₃ как указано выше. Теперь определение для dKH должно быть сделано из количества карбоната в 17.86 промилях CaCO₃ , что не имеет отношения к GH, определяемому через CaO! Исторически, GH должно быть , во-первых, определялось через CaO, жесткость через промили CaCO ₃ в-вторых, затем KH в-третьих?

1dKH = 17.86 промиль CaCO₃

Из вышесказанного; 1dKH = 17.8575 мг/литр CaCO₃. 7.143 мг/литр из этого - Ca, остальное ;(17.8575-7.143)= 10.7145мг/литр CO₃

1dKH = 10.7145 промиль CO₃

Для бикарбоната:

CaCO₃ формирует Ca(HCO₃)₂ в воде при уровне pH менее чем 10.25 . (Два бикарбоната формируются из каждого иона карбоната):

CaCO₃ + H₂0 + CO₂ ---> Ca(HCO₃)₂

CO₃ mw (молекулярный вес) = 60
HCO₃ mw (молекулярный вес) = 61

Таким образом, 10.7145мг/литр CO₃ из CaCO₃ (каждый CO₃ карбонатный анион формирует два HCO₃ бикарбонатных аниона; 61/60*2 *10.7=21.8 мг/литр HCO₃

Другой способ этого рассчета подразумевает использование молярности:

1dKH = 17.86 мг/литр CaCO₃
mw CaCO₃ = 100

17.86 мг/литр CaCO₃ = 0.179 m (Моль) CaCO₃

Это даст 2* .179 m Моль = .358 m Моль
Умножая моли *mw даст нам мг:
0.358*61(mw HCO₃) = 21.8 мг/литр HCO₃

1dKH = 21.8 промилей HCO₃

Как использовать эти коэффициенты перевода:

Если Вам известна щелочность или жесткость в промилях (ppm), разделите на 17.86 чтобы получить градусы.

Если Вы хотите поднять щелочность на 1 dKH, используя CaCO₃ - используйте 17,86 мг CaCO₃

Если Вы хотите поднять щелочность на 1 dKH, используя NaHCO₃ :

mw Na = 23
mw HCO₃= 61
mw NaHCO₃= 84

1dKH= 21.8 промиль HCO₃
21.8 *84/61=30 мг/литр of NaHCO₃

Используя молярность:
0.358 mМолей * 84(mwNaHCO₃) = 30 мг/литр NaHCO₃

CO₂, Кислотность (pH) и Карбонатная Щелочность

CO₂, pH и карбонаты взаимосвязаны при помощи следующих трех уравнений::

Пример того, как увеличение карбонатов либо приведет к увеличению уровня pH либо потребует уравновешивающей добавки CO₂ для поддержания уровня pH.

Если NaHCO₂ добавялется в аквариумную воду, дополнительные карбонатные ионы приведут к смещению реакции в уравнении (2) в левую сторону. Это приведет к формированию бОльшего количества угольной кислоты, связывающей H+ ион и, таким образом, к повышению уровня pH. Дополнительная углекислота сместит реакцию в уравнении (1) в левую сторону, создавая CO₂ , который будет рассеиваться из раствора, приводя равновесие на более высокий уровень pH. Для поддержания равновесия на первоначальном уровне pH, уравнения (1) и (2) должны быть опять смещены вправо. Это может быть достигнуто благодаря добавкам дополнительного CO₂ в аквариум. (Уравнение (3) приобретает важность как только pH достигает значения 10.25)

Эти взаимоотношения выражены в знакомой таблице, где сведедны показатели KH/pH и количество необходимого в растворе для поддержания определенного уровня pH. Чем выше уровень карбонатов/бикарбонатов в аквариуме, тем большее количество CO₂ необходимо для поддержания определенного уровня pH.

    pH   6.0   6.2   6.4   6.6    6.8   7.0   7.2   7.4   7.6   7.8   8.0

 .........___________________________________________________

KH

0.5 |      15   9.3   5.9   3.7   2.4   1.5   .93   .59   .37   .24   .15

1.0 |      30  18.6  11.8   7.4   4.7   3.0   1.7   1.2   .74   .47   .30

1.5 |      44   28   17.6  11.1   7.0   4.4   2.8   1.8   1.11  .70   .44

2.0 |      59   37    24   14.8   9.4   5.9   3.7   2.4   1.48  .94   .59

2.5 |      73   46    30   18.5   11.8  7.3   4.6   3.0   1.85 1.18   .73

3.0 |      87   56    35    22    14.0  8.7   5.6   3.5   2.2  1.40   .87

3.5 |     103   65    41    26    16.4 10.3   6.5   4.1   2.6  1.64  1.03

4.0 |     118   75    47    30    18.7 11.8   7.5   4.7   3.0  1.87  1.18

5.0 |     147   93    59    37     23   14.7  9.3   5.9   3.7   2.3  1.47

6.0 |     177  112    71    45     28   17.7  11.2  7.1   4.5   2.8  1.77

8.0 |     240  149    94    59     37    24   14.9  9.4   5.9   3.7   2.4

10. |     300  186    118   74     47    30   18.6  11.8  7.4   4.7   3.0

15. |     440  280    176  111     70    44    28   17.6  11.1  7.0   4.4

20. |     590  370    240  148     94    59    37    24   14.8  9.4   5.9

CO₂ мг/литр

CO₂ превышающий 40 мг/литр вредит рыбам. Используя эту таблицу, в которой щелочность воды бикарбонатного происхождения сбалансирована с определенным уровнем pH при помощи CO₂ для контроля pH, убедитесь, что Вам не потребуется использование нездорового количества CO₂.