Основные физико-химические параметры морской аквариумной воды
Как известно, вода (оксид водорода) представляет собой неорганическое соединение, состоящее из двух атомов водорода и одного атома кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью (объединятся электронные облака входящих в соединение атомов). Обозначается химической формулой Н2О. При нормальных условиях (20ОС, 1 атм.) является жидкостью, не имеющей цвета, запаха и вкуса. Молекулярная структура молекулы воды напоминает равнобедренный треугольник, в основании которого два атома водорода, а на вершине атом кислорода. При этом общее электронное облако сдвинуто в сторону кислорода, придавая молекуле высокую полярность. По этой причине вода является хорошим сильнополярным растворителем.
Для оценки физико-химических параметров морской воды и роли входящих в ее состав различных компонентов целесообразно рассмотреть понятие концентрации и единиц ее измерения. Концентрация — это величина, характеризующая количественный состав раствора. Она может измеряться соотношением количества растворенного вещества, выраженного в единицах массы (например, декаграмм, грамм, миллиграмм, микрограмм) к массе раствора, выраженной в килограммах. Единицами измерения концентрации являются:
- pph, обозначается % (проценты), даг/кг, частей на сотню;
- ppt, промилле, обозначается О/ОО, г/кг, частей на тысячу;
- ppm, мг/кг, частей на миллион;
- ppb, мкг/кг, частей на миллиард.
Другой формой выражения концентрации является отношение массы растворённого вещества к объёму раствора. Тогда единицами измерения концентрации являются даг/л, г/л, мг/л, мкг/л. При малых концентрациях 1 мг/л становится почти равным 1 ppm, однако при увеличении концентрации отличия единиц, привязанных к весу раствора и объему раствора, становятся заметнее.
Также для выражения концентрации используется отношение моля растворенного вещества к объему раствора моль/л, где моль – это количество вещества, масса которого, выраженная в граммах, численно равна молекулярной массе.
Водородный показатель РН и окислительно-восстановительный потенциал
При нормальных условиях вода слабо диссоциирована, т.е. имеет в своем составе распавшиеся части молекулы Н2О : ионы водорода Н+ и гидроксильные ионы ОН-. Доля этих ионов по сравнению с долей недиссоциированных молекул воды очень мала и измеряется величинами порядка миллиардных долей. Но именно наличие этих ионов и их количество придает водным растворам кислотность или щелочность. Для количественной оценки наличия ионов водорода существует водородный показатель РН, который представляет собой отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации ионов водорода. В нейтральной среде, где концентрация ионов водорода равна концентрации гидроксильных ионов, показатель РН равен 7. Это означает, что на один моль водорода приходится 10 миллионов литров раствора. А изменение этого показателя в ту или иную сторону всего на одну единицу свидетельствует об изменении концентрация ионов водорода в десять раз, на две единицы – в сто раз, три – в тысячу раз и т.д.
Важнейшими процессами, протекающими в аквариумной системе и обеспечивающими создание необходимых условий содержания гидробионтов, являются окислительно-восстановительные реакции, т.е. реакции, связанные с передачей или присоединением электронов.
Способность веществ отдавать или присоединять электроны определяется их окислительно-восстановительной способностью. Она заключается в том, что одни вещества, отдавая свои электроны и заряжаясь положительно, окисляются, а другие, принимая электроны и заряжаясь отрицательно – восстанавливаются. Разность электрических потенциалов между ними представляет собой окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) или РЕДОКС-потенциал. Различные вещества обладают разной окислительно-восстановительной способностью. Так, наиболее активным окислителем является кислород, а восстановителем – водород.
Жизнь аквариума так устроена, что со временем восстановители накапливаются, а окислители расходуются. Поэтому измерение ОВП, по величине которого можно судить о наличии в системе окислителей и восстановителей и о приемлемости среды для жизни гидробионтов, имеет большое значение. ОВП измеряется путем погружения специального электрода в воду. При этом, если в воде много восстановителей, то они отдают электроду свои электроны, давая ему отрицательный заряд. Если в воде много окислителей, то наоборот, они придерживают свои электроны, принимая на себя электроны электрода, придавая ему, тем самым, положительный заряд. Заряд электрода можно измерить и это будет показателем ОВП. Единицами измерения являются милливольты Мв. Надо учитывать, что этот заряд зависит не только от наличия окислителей и восстановителей, но и от величины рН и температуры. В принципе, в аквариумных системах, где рН и температура являются сравнительно постоянными величинами, то поправки рН на температуру можно не учитывать.
В практике морской аквариумистики ОВП, в основном, используется там, где применяются озонаторы и денитрификаторы.
Взаимодействие морской воды с кислородом и углекислым газом
Кислород и углекислый газ играют важнейшую роль в создании условий для обеспечения жизнедеятельности морских организмов. Поэтому, необходимо рассмотреть вопросы взаимодействия этих двух газов с морской водой.
В воздухе содержится 21 процент кислорода и 0,03-0,04 процента углекислого газа. Т.е. по содержанию в воздухе кислород превышает углекислый газ более чем в 500 раз. Но растворяется в воде углекислый газа в 30-40 раз лучше, чем кислород. Поэтому в воде их концентрации сближаются. И тот и другой газ проникают сквозь поверхность воды в прямом и обратном направлении в зависимости от того перенасыщен раствор углекислым газом или кислородом. Надо учитывать, что с повышением температуры растворимость газов в воде уменьшается. Необходимо отметить, что активную роль в процессах газового обмена играют живые организмы. Животные, а также растения в темной фазе поглощают кислород, выделяя при этом углекислый газ. Выделение кислорода и поглощение углекислого газа осуществляется растениями в светлое время в результате фотосинтеза.
Кислород и углекислый газ взаимодействуют с водой по-разному. Так, кислород находится в воде в виде растворенных молекул, которые неактивно взаимодействуют с водой. А вот, углекислый газ ведет себя более активно. При растворении углекислого газа, благодаря присоединению молекулы воды происходит образование угольной кислоты Н2СО3, которая в свою очередь диссоциирует на катионы водорода, анионы гидрокарбоната НСО3-, анионы карбоната СО32-. Между углекислым газом, угольной кислотой, гидрокарбонат ионом и карбонат ионом устанавливается равновесие.
Карбонатный буфер
Карбонатный буфер или, как его еще называют карбонатно-бикарбонатный буфер, обеспечивает поддержание в морской воде стабильного уровня рН, в среднем около 8-8,2. В формировании этого буфера принимают участие растворенный углекислый газ и присутствующие в воде ионы кальция и магния.
Их взаимодействие заключается в следующем. Образовавшиеся во время растворения углекислого газа карбонат ионы и бикарбонат ионы вступают во взаимодействие с находящимися в воде катионами кальция и магния. Гидрокарбонаты кальция и магния являются растворимыми в воде соединениями, и их наличие является обычным делом, не создающим особых проблем. А карбонаты кальция и магния – это нерастворимые соединения, которые могут выпадать в осадок в виде взвеси и в морских аквариумах могут приносить определенные неудобства в виде нежелательных отложений. Гидрокарбонаты кальция или магния находятся в равновесии с карбонатами этих металлов. Необходимо отметить, что большое количество карбоната кальция в море является продуктом жизнедеятельности живых организмов, представленном в виде каркасов кораллов, коралловых рифов, раковин моллюсков и других известковых образований.
Если, например, рН воды уменьшается, т.е. среда становится кислой с повышенным содержанием ионов водорода, то равновесие между угольной кислотой, гидрокарбонат ионом (бикарбонатом) и карбонат ионом сдвигается в сторону угольной кислоты. Ее становится в избытке, и она разлагается на воду и углекислый газ, который выделяется в атмосферу. При этом также сдвигается равновесие между карбонатами и гидрокарбонатами металлов в сторону гидрокарбонатов. В итоге происходит восстановление рН до начального нейтрального уровня.
С другой стороны, если система защелачивается, и в ней уменьшается количество ионов водорода, то смещение цепочки равновесий происходит в обратную сторону, и оно сопровождается дополнительным поглощением углекислого газа из атмосферы и выделением большего количества нерастворимых карбонатов кальция и магния. При этом также происходит восстановление рН до первоначального уровня.
Так как, и углекислый газ в атмосфере, и известняк в океане содержатся в достаточном количестве, то это является гарантией работоспособности карбонатно-бикарбонатного буфера.
Проиллюстрировать процессы, происходящие при работе карбонатно-бикарбонатного буфера, можно на нижеприведенном рисунке.
Содержание в воде кальция и магния
Кальций является важнейшим элементом в обеспечении жизнедеятельности гидробионтов в мировом океане. В океанических водах кальция содержится примерно 420 мг/л. Содержание его в воде морского аквариума находится в диапазоне 380-450 мг/л. Также в воде присутствует магний. Его количество больше (1250-1350 мг/л), но в биологических и химических процессах, протекающих в океане и в морских аквариумных системах, кальций участвует в большей степени. Кальций и магний, в первую очередь, определяют такие свойства морской воды, как щелочность и карбонатная жесткость. Под щелочностью морской воды понимается свойство морской воды, связанное с содержанием в ней анионов слабых кислот и катионов эквивалентных этим кислотам. Численно она определяется количеством сильной кислоты, добавляемой в систему, достаточной для того что бы «сломать» карбонатный буфер и довести рН до величины 5,5-5,7.
Данное понятие щелочности морской воды (Alkalinity) является количественным показателем и отличается от понятия щелочной реакции среды, определяемой показателем рН. Единицы определения щелочности мгэкв/л. В природной морской воде этот показатель колеблется от 2,5 до 3,5 мгэкв/л., который может быть рекомендован для рифовых аквариумов.
Другим параметром морской воды, в котором принимают участие кальций и магний, является карбонатная жесткость, которая отражает содержание в воде карбонатов и бикарбонатов этих металлов. Как при определении щелочности, так и жесткости имеет место нейтрализация кислот. И когда вода титруется, то шкала может быть либо в единицах щелочности либо в единицах карбонатной жесткости. Щелочность и карбонатную жесткость иногда считают довольно близкими понятиями. Отличие заключается в том, что карбонатная жесткость учитывает только анионы, содержащие углерод, а щелочность - анионы других легких (помимо угольной) кислот. Так как в морской воде соединения углерода составляют порядка 96% общей щелочности, то аналогия между двумя этими понятиями не считается большой ошибкой. Единицами измерения жесткости являются: немецкие градусы dkH, мэкв/л, ppm, которые соотносятся следующим образом: 1 мэкв/л = 2,8 dKH = 50 ppm СаСО3.
Соленость
Солёность — это общее количественное содержание солей в воде. Единицы измерения - «‰» (промилле). На практике определяется путем замера плотности ареометром, который тарирован на определенную температуру. Единицы плотности с помощью таблицы переводится в промилле. Обычная плотность аквариумной воды 1,022-1,024.
Электропроводность
Измеряется в морской воде в миллисименсах. Связана с соленостью воды. Используется в различном автоматическом оборудовании для контроля солености воды. Для замера используются приборы кондуктометры. Принцип действия прибора основан на прямой зависимости электропроводности воды (силы тока в постоянном электрическом поле, создаваемом электродами прибора) от количества растворенных в воде соединений. Позволяют измерять электропроводность любой воды, от пресной до сверхсоленой.
© Аква Лого
Евгений Константинов
Поля, отмеченные знаком *, обязательны для заполнения.
Беспозвоночные
Растения
Аквариумы и тумбы
Аквариумные товары
