GH, KH и pH за напреднали акваристи
от Боб Диксън
Когато четем интернет дискусии за гледане на южноамерикански или западноафрикански риби, изглежда, че винаги има по някой новобранец с проблем, който звучи примерно така:
“Добавих препарат за сваляне на pH-то, за да стане то 5.5, но след това KH-то падна до 2.0. Добавих калциев карбонат, за да го върна обратно до 6, но след това pH-то пак се качи до 8. Купих си “Discus Buffer” и сложих според инструкцията. Това свали pH-то до 6.0, но дори още една доза от препарата за сваляне на pH не можа да го смъкне повече. След това открих, че KH-то пак е паднало на 2.5. Един приятел ми каза да добавя малко бакпулвер и това качи KH-то ми обратно на…”
По времето, когато прочетете края на постинга на бедния човек, той вече не е в състояние да хване дори и охлюв с кепчето си, защото водата в аквариума му е станала на желе. Похарчил е 172 долара за химикали, които е изсипал в 5-галонния си аквариум (бел. прев. – 1 американски галон се равнява приблизително на 4.4 литра), а рибките му вече са подали оплакване за токсично замърсяване до екоминистерството.
Той така и не е постигнал ония параметри на водата, които е искал, защото всъщност е напълно невеж по отношение на това какво точно означават всички тия параметри. Онзи, от когото нашият човек си е купил рибките, му е казал, че те имат нужда от ниско pH. Продавачката в магазина, която си няма и най-бегла представа как изглежда Pelvicachromis taeniatus, му казва, че ще му се вдигне много киселинността, ако KH-то падне под определено ниво. Съседът му пък, който си има соленоводен рифов аквариум, го съветва да сложи от всички ония нещица, които той си слага, но не бива дори да бъдат доближавани до пресноводен аквариум. А акваристиката трябвало да е забавна. Трябвало и да е лесна. Не се предполага, че ще трябва да даваш двуседмичната си заплата за химикали веднъж на всеки седем дни.
Написах тази статия, за да помогна да се избегне този сценарий. Надявам се, че след като я прочетете, ще се насладите на хобито си още повече.
Има пет основни параметри на водата, които играят роля в създаването на онези условия, които да позволят на рибите ни да бъдат щастливи и да процъфтяват.
Температура
pH
Обща твърдост
Карбонатна твърдост
Електропроводимост
Забележете, че не включвам в този списък амоняк, нитрати или нитрити – те не част от параметрите на водата, освен може би за онези, които отглеждат основно водни растения. От гледна точка на любителя на рибки обаче амонякът, нитритите и нитратите са показатели за качеството на водата, а не нейни основни параметри.
Нека кажа това сега, за да не ми се налага да го казвам отново. Правете редовни и чести частични смени на водата. Дръжте нивата на азотните остатъци и разтворените органични съединения ниско. “Как да го направя?” – ще попитате. Като правите редови и чести частични смени на водата. О, дали не забравих да спомена, че трябва да правите редовни и чести частични смени на водата?
Температура:
Няма да си правя труда да дискутирам тук температурата. Тя е нещо сравнително лесно за контролиране и регулиране. Повечето от нас знаят как да разчетат показанията на термометъра. Ще спомена все пак преди да мина нататък – трябва периодично да проверяваме термометъра. Най-малкото можем да натопим пръст във водата веднъж седмично. Нагревателите имат склонността с времето да изместват температурата, която поддържат, така че дръжте ги под око. Другите четири параметъра са химически по своята природа и като такива, са свързани помежду си по начини, които понякога забравяме. Ако следвате няколко прости и лесни за запомняне правила, никога няма да се окажете в положението на бедния човек от началото на статията.
Не можем да разберем тези четири взаимосвързани параметри, без накратко да обсъдим общите закони на природата на определени елементи и съединения. Понеже не съм химик, ще направя всичко възможно да съм точен и коректен от научна гледна точка и все пак изложението ми да остане разбираемо.
Всички химикали, които не са “чисти” химични елементи, са химични съединения, съставени от два или повече елемента. Тези съединения остават свързани от йонни или ковалентни връзки. Разликата между тези връзки идва от природата на химическите реакции.
Всички елементи са съставени от атоми, които на свой ред имат различен брой протони и неутрони в зависимост от това за кой конкретен елемент говорим. Това на кой елемент е даден атом може да се определи по броя протони в ядрото му. Разбира се, за това е нужен наистина голям и мощен микроскоп. За нашите практически нужди ще е достатъчно да разглеждаме атомите като цяло и да определяме какви точно са по техните физични характеристики.
Всеки атом има по един електрон за всеки протон. Тези електрони се “закрепят” за протоните посредством електрическия си заряд, който е противоположен по полярност на този на протоните. Движението точно на тези електрони от атом към атом е онова, което наричаме “електричество”. Това привличане не ги държи съвсем на едно място – електроните обикалят около ядрото на атома.
Орбитата им не е кръгла, каквато е орбитата на планета около слънцето – електроните обикалят по неравни траектории.
Тези електрони, въпреки странното си движение, всъщност са доста добре организирани. Образуват групи или пластове, които физиците наричат електронни слоеве. Най-външния от тях се нарича валентен слой. Точно това е мястото, където се случват всички онези химически реакции, които правят света ни интересен.
Водородът има само един протон и един електрон, а хелият – по два. Хелият не реагира химически, защото двата му електрона са една щастлива двойка. Те просто се закачат един за друг и не искат компания, нито пък са склонни да се откъснат и да скитат. Тези две частици са от валентния слой (който всъщност е единствен) и понеже са щастливи и се чувстват удобно заедно, се смята, че валентният слой е пълен.
Но единственият електрон на водорода е много самотен и му липсва компанията на други сродни нему души, субатомни частици. Затова той често е склонен или да хукне нанякъде в търсене на другарчета, или, ако пропусне тази възможност, е “отворен” да приеме компания. Само по един гост във всеки момент, наистина, но и това е компания. Когато електронът избяга от оковите на дома, той напуска водородния атом заедно със своя отрицателен електрически заряд, като така оставя атома само с положителния заряд на протона в ядрото му. Така целият атом получава положителен заряд и се нарича “йон”, а още по-точно – “катион”, положителен йон. Когато електронът има посетител, те образуват пълен валентен слой, който има един допълнителен отрицателен електрически заряд. Това е причината водородният атом да стане “анион”. За разлика от “положителните” и “отрицателните” хора, това не се отразява върху умственото състояние на атома, а само върху електрическия му заряд.
“Майката природа” предпочита атомите и да останат балансирани. Заради електрическите заряди един положителен водороден йон ще намери отрицателен такъв и двата ще “залепнат” един за друг като магнити. Това е естественото състояние на газа водород. Той съществува винаги като молекула, съставена от два атома. Електроните непрекъснато прескачат напред-назад от валентния слой на единия атом към този на другия, като сякаш обикалят около цялата молекула. Това се нарича ковалентна връзка.
Литият, който има три протона, има също и трети електрон, който допълва другите два, но стои самотен във втори електронен слой. Първите два все така се чувстват добре като двойка, но за третия има една дребна спънка – никой слой след първия не е пълен, докато в него няма осем електрона. Това принуждава третия електрон да тръгне да скита, ако иска да си намери компания, като така литиевият атом се превръща в положителен катион.
Берилият, следващият елемент, има два от тези самотни електрона и така нататък. Хлорът и флуорът имат седем електрона във валентния си слой. Кислородът и сярата имат шест и са заети през цялото време да си попълнят празните места. Когато два йона с противоположни заряди “залепнат” един за друг, те формират нещо, което се нарича молекула. Понякога атомите се свързват и си “поделят” електроните, като така формират ковалентна връзка. Когато електроните останат в орбита около атома, а не около цялата молекула, това електрическо привличане се нарича йонна връзка. Йонните връзки не са много здрави и са сравнително лесни за разрушаване, когато има разтворител, какъвто е водата например. Точно тук се включваме и ние, акваристите.
PH:
Това много често е първият параметър, за който научаваме, когато започваме с хобито и за нещастие много често разбираме най-малко. Ако искате, направете си този кратък тест и вижте как ще се справите.
Какво означава съкращението pH?
Колко пъти по-кисела е вода с pH 4.5 от вода с pH 5.5?
Виждате ли? В крайна сметка не разбираме много от pH. Отговорите са съответно “per Hydrion” и “десет път” . Нека обясня.
Водородът в състоянието си на катион е известен като hydrion. Скалата pH е логаритмична скала и може да бъде наречена още моларна концетрация на водородни катиони. Сега сигурно се почесвате по главата и си казвате “Хмммм”? Мол е химически термин, с който се обозначава определено количество молекули, което се нарича число на Авагадро. Представете си числото 602, само че с двадесет и една нули, които се влачат след него. Това е един мол. Моларна концентрация е броят молове от водородни катиони в литър вода. Тъй като броят йони е по-малък от един мол, можем да очакваме моларната концентрация да се изразява с дроб (чувам пъшкане от неизкушените от математиката). Когато видите pH със стойност X, това всъщност означава, че моларната концентрация е 1/(10*X) мола водородни катиони на всеки литър вода. Ако например имаме pH 5.0, това означава, че на всеки мол вещество от пробата (в нашия случай – вода) се падат 1/105 или 0.00001 мола водородни катиони. Не звучи кой знае колко много, но не забравяйте, че един мол е наистина голямо число. Може би си мислите, че нещо, което съдържа 602,000,000,000,000,000,000,000 водородни катиони, тежи ужасно много, но се заблуждавате – всъщност е само грам. Това означава, че литър вода с pH 5.0 има само десет микрограма или десет милионни части от грама водородни катиони. PH 6.0 показва концентрация от 0.000001 или една милионна част от грама.
Ще попитате какво значи pH 5.1? Или 5.2, 5.3 и така нататък. Не забравяйте, че това е логаритмична скала, тъй че тя като че се извива през целия си път, като разликата между 5.0 и 5.1 е по-голяма от тази между 5.1 и 5.2 и т. н. в същия дух.
На това място искам да ви представя една научна конвенция. Научните конвенции са неща, за които учените се съгласяват, з да могат да комуникират помежду си (обзалагам се, че отначало сте си помислили, че това е тълпа разбеснели се диваци в бели лабораторни престилки, които се опитват да превземат някой хотел). Когато един водороден атом е в състояние на водороден катион, той се обозначава с “H+”. Когато атомът има допълнителен електрон и заради това е с отрицателен заряд, той се бележи с “H-“. Химичният символ за калций е Ca. Когато калцият е в йонна форма, той ще е с два електрона по-малко. Това ще рече, че той ще има двоен положителен заряд и ще го означаваме с Ca++. Елегантно, а?
Нека уточним и още нещо – вече изяснихме какво се мери с мол (брой молекули, разтворени в литър вода). Нека разгледаме същото нещо, но от друга гледна точка – като маса от дадено вещество, която е разтворена в литър вода, ще получим още една мярка – mg/l (милиграми на литър) или mmg (микрограми на литър). Това определение ще ни потрябва малко по-късно, така че запазете го в някое ъгълче на съзнанието си за бъдеща употреба.
Сега вече сме готови да обсъдим идеята, че вода с pH под 7.0 е киселинна, а такава с pH над 7.0 се смята за ... основна (или алкална). Ако дестилирате вода с абсолютна чистота и успеете да я опазите от всичко, което би могло да се разтвори в нея, дори въздух, тя ще има pH точно 7.0. Защо? Защото водата е йонно съединение и като такова, химичните и връзки не са толкова силни, колкото изглеждат на пръв поглед.
Всъщност част от водата се разпада на водородни катиони или H+ и хидроксидни аниони или OH- и то се разпада така, че имаме еднакво количество и от двете – 1/107 мола. Тук идваме и до момента за pOH или “per Hydroxide”. POH измерва количеството OH- йони, плуващи наоколо независимо един от друг и удрящи се един в друг, във водните молекули и в H+ йоните. Тези йони не остават разделени, а се превръщат обратно във водни молекули, докато някои от водните молекули пък се разпадат на йони.
Това непрестанно формиране на йони и водни молекули се контролира от сили вътре в йоните. То протича с еднаква скорост в двете посоки и затова се формира динамично равновесие. Докато няма някакво външно въздействие, винаги ще има 1/107 (0.0000001) мола H+ и OH- йони на всеки литър вода. В този момент е съвсем очевидно, че имаме pH 7.0 и не чак толкова очевидно, че ще имаме и pOH 7.0. Много важен за предстоящата дискусия е фактът, че сборът от стойностите на pH и pOH винаги е равен на 14.0. Четете нататък и ще видите.
Някои може би се чудят какво е онова външно въздействие, което може да разстрои прекрасното ни равновесие. Аз поне се чудех. И ето какво открих.
Да допуснем, че сте сложили малко водороден сулфид във водата. Ако се върнете към началото на тази статия, ще си спомните, че сярата има само шест електрона във валентния си слой. Тъй като всеки водороден атом има само един, това съединение се изписва като H2S, което ще рече, че два водородни атома са свързани с един серен. Какво се случва на този чудесен H2S, когато го сложим във вода? Тъй като и това е съединение с йонни връзки, то се разпада на един S- йон и два H+ йона. Това увеличава броя на H+ йоните, които танцуват бесния си танц във водата, а оттам – и броя на сблъсъците, при които H+ и OH- йони се намират и се свързват, за да станат пак вода.
Тъй като има повече H+ йони, отколкото OH-, равновесието ни ще се измести, но сумата от двете логаритмични стойности пак ще е 14, така че ако имаме pH 6.0 или 1/106 (0.000001) мола на литър H+ йони, ще имаме 1/108 (0.00000001) мола на литър OH- йони, което пък ще рече, че pH + pOH = 14.
Разтворът на водороден сулфид, който е известен още и като сярна киселина, може да бъде доста гаден, когато pH-то падне достатъчно ниско. Ако решим да възстановим баланса, можем да сложим нещо с много OH- йони като калциев хидроксид например (CaOH2). Точното количество ще компенсира допълнителните H+ йони и ще върне pH-то и pOH-то на 7.0. Ако сложим твърде много, равновесието ще се люшне в другата посока.
Колкото е по-високо pH-то, толкова е по-ниско pOH-то и колкото повече водородни катиони имаме, толкова са по-малко хидроксидните аниони. Това състояние с много хидроксидни аниони се нарича основна вода. Колкото по-ниско е pH-то, толкова по-високо е pOH-то и колкото по-малко са водородните катиони, толкова повече са хидроксидните аниони. Това се нарича кисела вода. Колкото по-кислела или по-основна става водата, толкова повече активни (дори агресивни) и некомпенсирани йони ще имаме. Те търсят нови противоположни йони, за да се свържат с тях и така да постигнат атомното щастие, към което се стремят. Ето защо киселините разтварят метали и основи. Когато станат достатъчно силни, те атакуват дори и стъклото, от което е направен аквариумът ви. Е, това не е нещо, което трябва да ни притеснява, дори да гледаме рибки, които имат нужда то кисела вода.
Сега, когато вече знаем за pH-то повече, отколкото сме си мислели, че изобщо е човешко да се знае, нека минем нататък. Докато дискутираме останалите параметри, ще открием връзките между тях.
Твърдост:
Когато говорим за твърдост, използваме съкращението GH. GH всъщност означава обща твърдост (General Hardness). Това е информативно, но какво, по дяволите, означава твърдост? Има две различни истории за това как се е появил терминът твърдост. Едната е свързана с факта, че когато водата е твърда, е трудно да насапунисаме кожата си. Това е вярно. Но в такъв случай трябва да очакваме, че обратното на твърда вода би било лесна вода (бел. прев. – това е непреводима игра на думи, на английски hard означава както твърд, така и труден). Вместо това тя се нарича мека вода и това придава малко повече достоверност на втората история. В нея железничарите и други хора, работещи с бойлери, забелязали, че в някои райони има вода, която оставя твърд слой по вътрешната стена на бойлера, докато другаде водате оставя съвсем тъничък мек слой или изобщо не оставя такъв.
Учените в САЩ и Германия започнали да изучават този феномен и открили, че твърдата вода съдържа много йонни химикали с катиони с валентност +2. По-рано споменахме, че берилият (Be) и калцият (Ca) имат валентност +2 (бел. прев. с други думи имат само шест електрона във валентния си слой, като не им достигат два до нужните осем). Същата валентност имат и магнезият (Mg), стронцият (Sr), барият (Ba) и радият (Ra). В някои случаи и желязото (Fe) може да има валентност +2. Учените в различни страни разработили скала за измерване на твърдостта. В САЩ се използва GH или скала за общата твърдост. В Германия (те наричат страната си Deutschland) използват термина DH или Deutch Hardness (немска твърдост). Понякога се случва да попаднем на тестове за измерване на твърдостта, обозначени с DH, друг път – на такива с GH. Тези две скали се различават минимално, но разликата не е съществена за никого, който не е облечен с лабораторна престилка през по-голямата част от денонощието.
И двете измерват твърдостта в части на милион. Но какво означава “части на милион”? Друга научна конвенция определя, че mg/l не е използваемо за неща, разтворени в алкохол, масло или дори въздух. Тъй че използваме части на милион (parts per million) или съкратено ppm. Една част на милион означава, че за всеки милион грама разтвор един грам се пада на това, което е разтворено. Нещото, което разтваря (в нашия случай – вода), също трябва да си има научно име и затова го наричаме разтворител. Мярката части на милион е използваема независимо дали мерим в грамове, фунтове, унции, камъни или каквато и да е друга мярка, която се ползва някъде по света.
