GH, KH и pH за напреднали акваристи - част 2

Когато говорим за твърдост, използваме съкращението GH. GH всъщност означава обща твърдост (General Hardness). Това е ни дава някаква информация, 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 мярката мг/л (mg/l) не е използваема за вещества, разтворени в алкохол, мазнина или дори въздух. Вместо нея 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 веществото, което е разтворено. Веществото, което разтваря (в нашия случай – вода), също трябва да си има научно име и затова го наричаме разтворител. Мярката части на милион може да се използва независимо дали мерим в грамове, фунтове, унции, камъни или каквато и да е друга мярка, която се ползва някъде по света.

И как сега ще свържем това ново ppm с мярката мг/л? За щастие използваме вода като разтворител. Когато учените решили да изобретят нов, научнооправдан и универсален стандарт за измерване, те измислили метричната система. Първо установили мярка за дължина – непроменливо разстояние между две определени точки на Земята, за да имат надежден стандарт, с който да сравняват. Не помня кои точно са били тези две точки, но това така или иначе няма значение, защото се оказало, че са измерили разстоянието погрешно и не го открили чак докато вече не било решено какъв ще е стандартът за дължина.

Непоколебими въпреки тази първоначална неточност, те също така решили да създадат стандарт за измерване на тегло и обем, базиран на новата мярка за дължина, наречена метър. Открили, че ако вземат дължина от една стотна (1/100) от метъра, която оттогава насетне е известна като сантиметър (представката санти- е взета назаем от латинската дума за сто), и направят кубче от нея, тогава хиляда от тези малки кубчета ще станат нещо близко до една кварта (бел. прев. кварта – мярка за обем, равна приблизително на 1,14 л.). Нарекли тези хиляда кубични сантиметра литър. Това всъщност прави от кубичния сантиметър милилитър, защото мили- идва от латински и означава хиляда. Можем да съкращаваме тези термини, като използваме см (cm) за сантиметър, л (l) за литър и мл (ml) за милилитър. Нека сега видим как всичко това ни помага, когато работим с ppm и мг/л във вода. Освен това учените разбрали, че един литър вода тежи малко повече от два фунта (бел. прев. фунт – мярка за тегло, равна приблизително на 0,453 кг). Те решили, че тези два фунта в литър вода ще се казват килограм. Освен това един милилитър (още известен като cc) е точно един грам вода. (Забележчица: Тия учени наистина са преровили древногръцкия и латинския за термини, с които да обозначават нещата. Трябва да проуча дали лабораторната престилка не произхожда директно от римската тога.) Един милиграм или мг (mg) е една хилядна от милилитъра, което го прави една милионна от литъра - разбира се, само когато говорим за вода. Така че за водни разтвори една част на милион (1 ppm) e едно и също с един милиграм на литър (mg/l).

Колкото повече разтваряме в литър вода, толкова повече тежи този литър. Нашето пряко превръщане от ppm в мг/л започва да губи от точността си, когато количеството разтворени вещества нараства. Въпреки това за нас като акваристи това несъответствие никога няма да стане достатъчно голямо в сладководен аквариум, за да притесни рибите ни. Не бива да го оставяме да притеснява и нас самите. За нашата дискусия ще приемем, че ppm и мг/л са синоними, когато говорим за сладководен аквариум.

Нека сега се върнем на твърдостта. Учените установили стандарт за градуси твърдост. Посредством научния метод (който също ще е обект на бъдеща дискусия), те открили, че в повечето естествени водоизточници има съвсем незначителни количества берили, стронций или барий и, разбира се, няма никакъв радий (който би превърнал водата в нещо, което свети на тъмно). Основната част била калций, малко по-малко бил магнезият, като имало само следи от другите елементи. Учените разработили тестове, които се използват, като се капе определена течност в проба вода, докато тя смени цвета си, като междувременно капките се броят. Тъй като не успели да се договорят дали да използват за измерване DH или GH, тестовете на някои производители използват дори и ppm като мярка.

Обаче имало и все още има и друг проблем с тези тестове. Те измерват всички йони като калций. Когато използвате тест или дори доклад за качеството на водата от някоя ваша локална служба по водата, ще получите твърдостта в ppm или мг/л като калций или дори по-лошо, като CaCO₃, калциев карбонат.

За да се определи точното тегло на всеки от различните йони с валентност +2 в разтвора, трябва първо да се измери с друг тест колко точно е калцият. След това полученото се изважда от общия брой йони, остатъкът се разпределя по елементи чрез сравняване на атомните тегла... и след това има огромно количество математика.

За наше щастие, на рибите ни изглежда не им пука особено кои точно йони с валентност +2 им правят компания във водата, само колко са. Така че ако ги третираме всички като Ca++, всичко ще е наред. Това ни облекчава невероятно.

Карбонатна твърдост

По дефиниция карбонатната твърдост представлява способността на определен обем вода да противостои на това да стане по-кисела. В акваристиката е известна още като “буферен капацитет” или стабилност на pH. Обикновено се обозначава със съкращението KH. За акваристите, които се опитват да гледат рибки, произхождащи от дъждовните гори на Южна Америка и нуждаещи се от мека вода, това означава само много главоболия.

Убеден съм, че в един или друг момент всеки от нас е слагал някакъв препарат за понижаване на pH в аквариума си, само за да види как то отново “отскача” обратно нагоре. Нали знаете какво е да отскочи нагоре? Нека имате чешмяна вода с pH примерно 7,8. Добавяте солидно количество препарат за понижаване на pH, така че то става 6,0 и си лягате спокойни и щастливи, като знаете, че на сутринта аквариумът ви ще е готов да приеме онази двойка от много специални апистограми. Ставате сутринта и установявате с ужас, че pH в аквариума мистериозно се е върнало на 7,6 или може би дори чак на 7,8. Слагате още от онова нещо, сваляте пак pH на колкото ви трябва, после отсъствате за пет часа, за да идете да вземете рибките. Когато се върнете, познайте какво... М-да, pH си е пак 7,4.

Какво се случва? Карбонатна твърдост. Карбонатната твърдост се базира на химичната реакция между водородния катион и буфера. Помните ли какво правеше водата кисела или основна? Съотношението между H+ йони и OH- йони. Ако имате повече H+ йони, тогава водата ви е кисела. Колкото повече H+ йони имате, толкова по-кисела става тя. Ако отнемем малко H+ йони, тя ще стане по-основна.

Сигурно ще кажете “Абе какво е това “буфер” и как е влязло то в моя аквариум? Аз със сигурност не съм го сложил там!”

Боя се, че сте. То си е било във водата, която е изтекла от чешмата, после в кофата, с която сте я пренесли до аквариума и сте я изсипали в него. Помните ли, че по-рано говорихме за твърдостта и йоните с валентност +2? Дори преди това споменахме, че майката природа обича баланса. Е, това е онзи същият баланс. За всеки заряд на катион във водата има по един на анион. Ще е безотговорно да кажем, че за всеки катион има по един анион, защото само зарядите трябва да се уравновесяват.

Вече споменахме и сярната киселина, както и това, че всяка молекула от нея има един S- йон и два H+ йона. Един анион, но два катиона. Някои от тези аниони реагират отново и много бързо с водородните катиони, като ги елиминират от равновесието между H+ и OH- йоните. Точно тези бързодействащи аниони се наричат буфер.

Нека проследим в дълбочина връзката между анионите и катионите. Да си представим еднолитров аквариум с чиста дестилирана вода. Нека сега в него добавим един мол калциев дихлорид (CaCl₂). След това нека добавим един мол натриев нитрат (Na₂NО₃). Сега сигурно си мислим, че имаме разтвор с един мол CaCl₂ и един мол Na₂NО₃.

Всъщност имаме един разтвор с шест мола йони. Един мол Ca, два мола Cl, два мола Na и един мол NО₃ . Забележете, че последното, нитратът, само по себе си е съединение, тъй като е съставено от един азотен йон и три кислородни йона. В повечето химични реакции обаче нитратът се държи като единичен атом. Това е защото връзката му е повече ковалентна, отколкото йонна – електроните от валентния слой се въртят по-скоро около цялата молекула, отколкото около един или два от атомите.

Може да се каже, че калцият и хлорът се “сдружават”, защото определено имат влечение един към друг. Ако оставите водата да се изпари, утайката на дъното ще е смес от калциев хлорид, калциев нитрат, натриев хлорид и натриев нитрат.

В една типична чаша вода от чешмата в дома ви имаме един вид супа от йони. На някои места тази супа е доста разредена, на други тя е доста гъста, повече като яхния.

Катионите и анионите плуват наоколо и свободно отскачат един от друг из водата.
Когато определени йони се сблъскат помежду си, се осъществява химична реакция. В общи линии това означава, че определени йони реагират с по-голямо желание, отколкото други и имат предпочитания с кого точно да реагират – няма да навлизаме в подробности, защото това ще ни отнеме някъде около половината от доста дебела книжка.

Пример за калциево съединение, разтворено във вода, е хидрофлорната киселина, която още се нарича хидроген флуорид. Хидрофлорната киселина е особено гадно нещо и е високо реактивна. Тя дори може да прояде стъкло, което я прави доста неудобна за разнасяне. Ако някой ви предложи, отрежете го – това е едно наистина много, много опасно нещо.

Но да предположим, че сме достатъчно глупави, за да си имаме работа с нея и добавим HF (което пък е формулата на хидрофлорната киселина) към вода, която съдържа калциеви йони. Ще се формира CaF₂. По-голямата част от него ще е твърдо вещество, което ще се утаи на дъното. H+ йоните, които останат, ще се свържат с този анион, с който калцият е бил свързан първоначално.

Вече сме готови да обсъдим онова за буфера. Споменах, че нитратът е анион, съставен от други атоми като съединение. Всъщност много аниони са такива. Освен нитратни, те са фосфатни, силикатни, нитритни и др. Тези, които са ни най-интересни, когато говорим за карбонатна твърдост, са карбонатните (CO₃).

Карбонатът е много нестабилен йон. Той изпитва непреодолимо желание да се закача за водородните катиони. Докато си плува наоколо в йонната супа, той внезапно се блъска в H+ йон. Когато се блъсне достатъчно пъти в някой такъв, той започва да ги привлича и задържа само за частица от секундата. Ако в даден момент се получи така, че има задържани два H+ йона едновременно, цялата тая работа се превръща в H₂CO₃, която пък се нарича въглена киселина. Въглената киселина след това отново се разпада, но не на тези йони, от които е произлязла. Двата H+ йони ще принудят единия от трите O- йона да напусне групичката и да формира с тях нова молекула. Тези атоми се превръщат в сравнително по-стабилната H₂O молекула и зарязват другите три, които пък стават CO₂. Добре де, това вече трябва да е въглероден диоксид (или двуокис постарому), което пък е друга доста стабилна молекула. Така нестабилният карбонат и още по-нестабилните H+ катиони си намериха нещо, което повече им харесва.

За нещастие това елиминира два H+ катиона от водата, което пък от своя страна кара равновесието между H+ и OH- във водата да се измести в полза на OH- анионите. Това пък от своя страна покачва pH.

Колкото по-ниско пада pH, толкова повече се приближава до онази точка, която ще обозначи възникването на равновесие между H+ катионите и карбоната (CО₃ ). Ако добавите още киселина отвъд тази точка, като така повишите концентрацията на водородни катиони, ще предизвикате по-чести сблъсъци между карбоната и H+ йоните, а това пък ще причини по-чести взаимодействия между тях, като така отново ще се постигне равновесие. Това ще спре вашето pH от спадане до момента, в който не намалите достатъчно концентрацията на карбонат.

Ако добавим към алкална (или основна) вода много карбонат, pH ще се покачи, но това не е свързано пряко с нивото на карбоната. То е свързано със съотношението на H+ към OH- йони. CО₃- ще реагира с H+ йоните, като ги елиминира. Това пък ще причини разпад на повече H₂O молекули на H+ и OH- йони. Поради това, че вече има известно количество OH- йони, това пък ще измести pH нагоре и ще направи водата основна.

Докато добавянето на карбонат ще направи водата по-основна до определена точка, добавянето на хидроксид като натриев хидроксид (NaOH) например няма да направи водата по-алкална. С други думи добавянето на хидроксид няма да направи pH на водата стабилно и устойчиво на спад.

Ако приключвате с четенето на тази част от дискусията и помните само, че карбонатната твърдост е способността на pH да противостои на спадане, а не просто високо pH, значи сте разбрали нещо много важно.

Други аниони могат също да причинят алкалност. Търговските добавки за повишаване на pH често са базирани на фосфати. В общи линии никога не бих ги използвал, защото могат да причинят бум на алгите (бел. прев. алги – микроскопични водорасли).

Всъщност алгите са единствената група растения, с чието отглеждане досега не съм имал никакви проблеми.

Електропроводимост

Нека пак разгледаме нашата йонна супа (или яхния, или манджа – в зависимост от това каква вода тече от чешмата ви). Всички тия катиони и аниони плуват из водата заедно със своите положителни или отрицателни електрически заряди. Това означава, че нашите катиони имат в повече протони, а анионите ни – в повече електрони. Ако помните началото на нашата дискусия, тези допълнителни електрони са там, защото са скитали наоколо и не са имали нищо против да отскачат от йон на йон.

По-рано споменах, че електричеството (на езика на лаика, разбира се) е именно движението на тези електрони. Така че наличието на йони и съответно на техните електрони прави възможно протичането на електричество през водата, което ще тласне и насочва тези електрони нанякъде. Логично е, че колкото повече йони има, толкова повече свободни електрони ще имаме и съответно електричеството ще “пътува” през нашата вода по-лесно. Тази способност на водата да провежда електричество се нарича електропроводимост.

Това, което дава на акваристите електропроводимостта, е обща представа за количеството на всичко, което е разтворено във водата. Винаги има разни разтворени във водата неща, основно органични съединения, свързани с ковалентни връзки, които не влияят на електропроводимостта. Като я измерваме обаче, ние можем да си създадем обща картинка за това колко йони имаме във водата. Амазонските и западноафриканските рибки не обичат във водата им да има много йони и ще е много малко вероятно да покажат родителския си инстинкт, ако електропроводимостта е висока.

Електропроводимостта се измерва в сименси, а самото измерване става с електронно устройство.

Заключение

Трябва да разбираме тези няколко различни параметъра на водата и връзките между тях.

Ето едно основно правило, което всеки трябва да запомни, когато ги измерва и се опитва да ги регулира:

1) Не можете да снижите pH и да задържите карбонатната твърдост висока. Няма да се получи.

2) Колкото повече неща слагате във водата, без да си давате сметка за химическия и състав, толкова по-далеч ще сте накрая от това, което искате да постигнете.

3) Повечето от това, което разтваряте във водата, ще повиши електропроводимостта и и ще разстрои рибките ви.

И най-важното от всичко – поменете правилото KISS (Keep It Simple Stupid – колкото по-просто, толкова по-добре). Когато имате нужда, питайте за различни подходи, чрез които да решите проблемите си с параметрите на водата. Ако някой ви даде шишенце със “Суперпрепарат - оправя всичко” и не може да ви обясни как точно действа той на вашата йонна супа, идете другаде и попитайте някой друг. Отговори има, но понякога е нужно малко усилие, за да достигнем до тях. Водата във всеки район е различна и всеки от нас трябва да разбере кое е най-доброто в неговата конкретна ситуация.

Успех на всички в търсенето и не спирайте да ги развъждате! О, да, споменах ли редовните и чести частични смени на водата?

Превод: Боян Калинов

Ако искате да добавите коментар към статията, натиснете тук. (работи с javascript)