Хімія та акваріум: Набір для тестування лужності Seachem Borate
Хімія та акваріум: Набір для тестування лужності Seachem Borate
У нещодавній статті я детально описав різні властивості бору в рифових акваріумах. 1 Ці властивості включають забезпечення стабільності рН та потенційну токсичність від надлишку бору. Однією з проблем, пов’язаних з бором, є те, що він забезпечує лужність, яка виявляється стандартними наборами для визначення лужності,2 але яка не є безпосередньо корисною для організмів для кальцифікації.3 Отже, якщо рівень бору вищий, ніж у природній морській воді, інтерпретація тестів на загальну лужність як карбонатну лужність є заплутаною. Оскільки карбонатна лужність є одним з найважливіших параметрів води для утримання рифових акваріумів, важливо знати, що рівень бору не спричиняє перешкод у тестах на лужність.
З цією метою компанія Seachem розробила боратний тест-набір для визначення лужності. Насправді він називається “Набір для визначення лужності магнію і карбонату/боратної лужності”. Опис набору та інструкція з його використання доступні на веб-сайті компанії Seachem. Крім визначення боратної лужності, він також дозволяє визначати загальну лужність та вміст магнію (хоча я не розумію, чому вони упаковані разом). Карбонатна лужність визначається шляхом віднімання боратної лужності від загальної лужності. Набір коштує близько 26 доларів США при замовленні поштою і стверджує, що він здатний виконати 75 тестів.
Цей набір може бути особливо важливим для користувачів соляної суміші Seachem з її високим вмістом бору,4 що дозволяє їм використовувати цю сіль і при цьому мати можливість визначати карбонатну лужність. У цій статті я розгляну, наскільки добре цей тест-набір справляється з досить складним завданням визначення боратної лужності на фоні карбонатної лужності.
Бор в морській воді
У природній морській воді бор присутній у концентрації близько 0,41 мМ (4,4 ppm загального бору) і має дві різні хімічні форми.5 Переважною формою є борна кислота, що становить близько 70% від загального вмісту бору, хоча цей показник змінюється в залежності від рН (Таблиця 1). Другою формою є борат, B(OH)4-. Він несе чистий негативний заряд, в той час як борна кислота є нейтральною. Ці дві форми можуть швидко взаємоперетворюватися, тому вони знаходяться в хімічній рівновазі між собою.
| pH | Частка у вигляді борату | Частка у вигляді борної кислоти | Боратна лужність морської води (мекв/л) |
|---|---|---|---|
| 9.0 | 0.74 | 0.26 | 0.30 |
| 8.7 | 0.59 | 0.41 | 0.24 |
| 8.55 | 0.50 | 0.50 | 0.21 |
| 8.4 | 0.42 | 0.59 | 0.17 |
| 8.3 | 0.36 | 0.64 | 0.15 |
| 8.2 | 0.31 | 0.69 | 0.13 |
| 8.1 | 0.26 | 0.74 | 0.11 |
| 8.0 | 0.22 | 0.78 | 0.09 |
| 7.9 | 0.18 | 0.82 | 0.08 |
| 7.5 | 0.08 | 0.92 | 0.03 |
| 7.0 | 0.03 | 0.97 | 0.01 |
| 6.5 | 0.01 | 0.99 | 0.00 |
| 6.0 | 0.00 | 1.00 | 0.00 |
Фактично, саме перетворення борату в борну кислоту забезпечує “боратну лужність”. Зокрема, при зниженні рН (як при титруванні лужності) рівновага, показана в рівнянні (1), зміщується вліво.
Оскільки борат перетворюється на борну кислоту, витрачається кислота (Н+). Оскільки на кожен еквівалент присутнього борату витрачається один еквівалент кислоти, боратна лужність дорівнює концентрації борату в розчині. Сама по собі борна кислота не вносить вклад в лужність.
При визначенні загальної лужності ця боратна лужність (рівняння 1) вносить свій внесок у загальну лужність так само, як і перетворення карбонату в бікарбонат (рівняння 2) і бікарбонату в вугільну кислоту (рівняння 3). Таким чином, борат вносить плутанину у визначення карбонатної лужності за допомогою тест-набору для визначення загальної лужності.
Один із способів визначення боратної лужності заснований на знанні загальної концентрації бору. Частка бору в кожній хімічній формі може бути легко розрахована за стандартними рівняннями 6
де B – загальна концентрація видів бору (0,41 мМ для природної морської води).
У таблиці 1 показано очікуваний внесок боратів у загальну лужність морської води за допомогою рівняння 4. У діапазоні рН, що спостерігається у звичайних рифових акваріумах (скажімо, рН від 7,8 до 8,6), цей внесок коливається від 0,1 до 0,25 мекв/л порівняно з приблизно 2,5 мекв/л для загальної лужності. Отже, внесок боратів досить малий, і його недостатньо, щоб турбувати акваріумістів, які мають рівні бору, що відповідають природній морській воді.
Однак у деяких випадках загальна кількість бору може бути набагато вищою, ніж у морській воді. У деяких випадках більш ніж у десять разів вище нормального рівня. Коли вміст бору настільки високий, то боратна лужність стає дуже значною, на рівні 1-2 мекв/л, і може легко ввести в оману акваріумістів, зацікавлених у карбонатній лужності.
Набір для визначення боратної лужності Seachem: Використання тесту
Далі в цій статті я розповім про те, як набір для визначення боратної лужності Seachem насправді дозволяє визначати боратну лужність. Однак перед цим я опишу тест-набір, а потім покажу, наскільки добре він насправді визначає боратну лужність.
На практиці цей тест-набір досить простий у використанні. Зразок води відміряється мірним флаконом, і додається щось, що називається “осаджувачем боратної лужності”. Те, що осаджується, ймовірно, є карбонатною сіллю, а також, можливо, деякими сульфатними солями. У будь-якому випадку, ви додаєте 2 краплі осаджувача і чекаєте 5 хвилин. Я отримав подібні результати, коли чекав 30 хвилин в одному тесті.
Через 5 хвилин акваріуміст додає одну краплю індикаторного барвника в метанолі. Хоча він функціонально виглядає як інші індикатори лужності з набору, він має іншу кінцеву точку (pH 6 відповідно до набору). Ця різниця важлива для функціонування набору. Не використовуйте цей індикатор для визначення нормальної лужності, тому що при його використанні Ви отримаєте дуже далекий результат від фактичної загальної лужності (нормальна загальна лужність має кінцеву точку близько рН 4).
Після додавання індикатора розчин злегка синіє. Потім акваріуміст додає розведену сірчану кислоту зі шприца, поки індикатор не стане жовтим. Це звучить дуже просто, але на практиці буває важко побачити зміну кольору, коли випадає багато осаду. Зразки з більш високою загальною лужністю, здається, мають більше осаду, і важко розпізнати кінцеву точку. Я б запропонував помістити рН-зонд у воду і титрувати до рН 6 замість кінцевої точки зміни кольору. Це дає набагато чіткішу точку зупинки для титрування.
Останнє зауваження. Хоча шприц відкалібрований таким чином, щоб забезпечити точність визначення боратів близько 0,1 мекв/л, фактичні краплі, які витікають зі шприца, становлять близько 0,3-0,4 мекв/л/крапля. Таким чином, практична роздільна здатність обмежена приблизно +/- 0,3 мекв/л, якщо тільки не зробити щось особливе з краплями, щоб вони падали в меншому розмірі. У порівнянні з нормальною боратною лужністю в природній морській воді близько 0,1-0,2 мекв/л (Таблиця 1), 0,3 мекв/л – це не дуже хороша точність. В інструкції стверджується, що ви можете отримати кращу точність, використовуючи більший об’єм зразка, і я очікую, що це правда, хоча це зменшує кількість тестів у наборі.
Набір для визначення боратної лужності Seachem: Результати
Для того, щоб оцінити точність цього тест-набору, я зробив кілька стандартних тестових зразків. Один з них складався з розчинної океанічної соляної суміші, зробленої до солоності 35 ppt (виміряної за допомогою електропровідності 53 мСм/см). Другий зразок складався з води з мого акваріума, також при солоності 35 ppt (також виміряної за допомогою провідності).
В обох цих випадках я визначив кількість присутнього бору за допомогою ICP (індуктивно зв’язаної плазми), використовуючи метод стандартних добавок, з додаванням 4,8 і 9,1 ppm бору з використанням комерційного стандарту бору. В обох зразках вміст бору перевищував природний рівень (4,4 ppm; 0,41 мМ). Зразок з мого акваріума мав 0,67 мМ (7,2 ppm бору). Зразок Instant Ocean мав 0,75 мМ (8,1 ppm бору).
Я також провів титрування загальної лужності обох цих зразків, додавши відміряну кількість 0,0993 N сірчаної кислоти до кінцевої точки рН 4,2 (використовуючи відкалібрований рН-метр і використовуючи 200 мл зразка).
Нарешті, я взяв зразок Instant Ocean і додав до нього буру (декагідрат борату натрію) до загальної кількості 10 мМ (108 ppm бору), щоб отримати дуже високий стандарт концентрації боратів.
Потім я визначив загальну та боратну лужність, використовуючи тест-набір Seachem. Результати наведені в таблиці 2. “Фактична” боратна лужність була розрахована для кожного з цих зразків, використовуючи відому концентрацію бору та рівняння 4.
| Зразок | Загальна лужність: Стандартне титрування до рН 4,2 | Загальна лужність: Тест на загальну лужність Seachem | Боратна лужність: Стандарт | Боратна лужність: Seachem Borate Test |
|---|---|---|---|---|
| Вода з резервуара (pH = 8,13) | 2,2 мекв/л | 2,4 мекв/л | 0,18 мекв/л | 0,4-0,8 мекв/л |
| Миттєвий океан (pH = 8,05) | 4,0 мекв/л | 3,9 мекв/л | 0,18 мекв/л | 0,6-1,5 мекв/л |
| Швидкорозчинний океанський, з додаванням бури (рН = 8,42) | Не визначено | Не визначено | 4,2 мекв/л | 3,5 мекв/л |
Загальний показник лужності цього тест-набору показав себе досить добре. Він відповідав загальній лужності зразків з точністю до точності набору. Ця стаття не має на меті розглядати цю характеристику набору, але, тим не менш, вона видається цілком прийнятною для нормальної діяльності по утриманню рифів.
Боратна лужність набору показала себе не так добре. Результати показані у вигляді діапазону, оскільки не завжди було зрозуміло, де саме знаходиться кінцева точка зміни кольору. Кожен тест проводився кілька разів у різні дні, і результати були досить відтворюваними. У більшості випадків я підтверджував фактичну кінцеву точку (рН 6) за допомогою рН-метра. Наприклад, повідомляється, що зразок акваріума має боратну лужність 0,4-0,8 мекв/л. pH одного конкретного зразка становив 6,24, коли було додано еквівалент 0,4 мекв/л, і 5,98 після додавання 0,8 мекв/л, що свідчить про те, що цифра 0,8 мекв/л була по суті правильною для цього конкретного зразка.
В одному тесті я почекав 30 хвилин після додавання осаджувача замість рекомендованих 5 хвилин. Я сподівався, що, можливо, не все осадження відбувається за 5 хвилин. Насправді, більша його частина, здається, відбувається при додаванні самого індикатора, можливо, через метанол в індикаторі, який зменшує розчинність неорганічних іонів. Тим не менш, я отримав такі ж результати для двох зразків, протестованих таким чином (0,8 – 1 мекв/л для зразка акваріума і 1 мекв/л для зразка Instant Ocean), як і при тестуванні з використанням стандартного 5-хвилинного періоду очікування.
В цілому, цей набір, здається, переоцінює лужність боратів в тому, що я називаю “нормальними” зразками. Найголовніше, що акваріумісти з показником боратної лужності 1 мекв/л не повинні робити помилку, думаючи, що вони насправді мають такий високий рівень боратної лужності. Якщо вони будуть вважати, що це правда, вони можуть підняти карбонатну лужність занадто високо у відповідь. Наприклад, якщо Вашою метою була карбонатна лужність у Вашому акваріумі на рівні 3 мекв/л, а цей набір показав, що у Вас 1 мекв/л боратної лужності, то Ви можете спробувати довести загальну лужність до 4 мекв/л. Насправді карбонатна лужність може становити майже 4 мекв/л. Хоча для більшості акваріумістів це навряд чи буде серйозною проблемою, це, безумовно, не є корисним.
Здається, що набір реагує на більшу кількість боратів у зразку з вищою заявленою боратною лужністю. Стандарт з високим вмістом боратів, з відомою лужністю 4,2 мекв/л, показав лужність 3,5 мекв/л (в цьому випадку кінцева точка була перевірена за допомогою рН, при цьому 3,5 мекв/л дало рН 6,08, а 3,7 мекв/л – рН 5,7). Це не так вже й погано, якщо мета набору полягає в тому, щоб попередити вас, коли значна частина загальної лужності є боратною, але це досить далеко, щоб не бути особливо корисним. Якщо Ви використовуєте суміш солей Seachem, з боратною лужністю порядку 1-2 мекв/л, цей набір може допомогти Вам зрозуміти, яка частина Вашої лужності припадає на борат. Однак, ця інформація може не дозволити дуже точно контролювати карбонатну лужність.
Вимірювання боратної лужності: як це робить Seachem?
Наступні два розділи призначені для акваріумістів, які достатньо цікавляться хімією, щоб дізнатися, як набір може насправді відрізнити боратну лужність від карбонатної та бікарбонатної лужності. Я не маю жодної інформації від Seachem, тому дещо є фактом, а дещо – припущенням, але все це має на меті забезпечити хімічне розуміння, а не покращити акваріумне господарство. Якщо Вас не цікавить внутрішня робота цього набору, просто перейдіть до висновків.
Налаштування кінцевої точки
Питання, з яким стикається хімік, який розробляє тест-набір для визначення боратної лужності, полягає в тому, як визначити, як виміряти боратну лужність, коли зазвичай вже присутня більша кількість карбонатної лужності (через карбонат і бікарбонат). Єдине, що допомагає, – це подивитися на іншу кінцеву точку. Тобто, додавати кислоту до тих пір, поки рН не буде відображати споживання борату, але не інших компонентів (особливо бікарбонату).
Лужність, зумовлена боратом, з’являється в міру того, як рН падає від рН зразка до приблизно рН 6-7, де він здебільшого перетворюється на борну кислоту (Таблиця 1). Невелика додаткова боратна лужність виявляється при продовженні стандартного визначення лужності до звичайної кінцевої точки близько рН 4. Менше 9% загальної боратної лужності не виявляється при використанні кінцевої точки рН 7, і менше 1% загальної боратної лужності не виявляється при використанні кінцевої точки рН 6. У наборі Seachem використовується рН 6 для кінцевої точки цього титрування.
На щастя для розробників наборів, більша частина лужності в нормальній морській воді обумовлена бікарбонатом, і більша частина цієї лужності виявляється при зміні рН від 7 до 4. Тому більшу частину цього внеску можна усунути, використовуючи більш високу кінцеву точку. Використання кінцевої точки рН 7 видалить 93% бікарбонатної лужності з визначення. Використання кінцевої точки рН 6 видаляє 41% бікарбонатної лужності. Отже, переміщення кінцевої точки з рН 4 до рН 6-7 допомагає усунути частину бікарбонатної лужності з вимірювання.
На жаль, внесок карбонату важче усунути, оскільки він значною мірою перекриває область, де борат робить свій внесок в лужність. Використання кінцевої точки 6 або 7 зберігає весь внесок карбонату в лужність.
Отже, зміна кінцевої точки до pH 6 або 7 зі звичайного pH 4, що використовується в наборах для тестування лужності, корисна для зменшення втручання карбонату і бікарбонату, але не усуває проблему.
Якби це було все, що робив боратний набір Seachem (використовуючи кінцеву точку pH 6), очікуваними були б результати зразків, показані в таблиці 1:
Акваріумна вода: Загальна лужність мінус 41% бікарбонатної лужності
- = 2,2 мекв/л – 0,41(~1,8 мекв/л)
- = 0,81 мекв/л
Миттєвий океан: Загальна лужність мінус 41% бікарбонатної лужності
- = 4,0 мекв/л – 0,41(~3,4 мекв/л)
- = 2,6 мекв/л
Хоча зразок акваріумної води відповідає даним, очевидно, що тест має на меті більше, ніж просто зниження кінцевої точки, про що свідчать результати, отримані для зразка Instant Ocean.
Осадження або комплексоутворення карбонату та бікарбонату
Інший спосіб усунути фон лужності, обумовлений карбонатом і бікарбонатом, з зразка – це видалити ці іони з розчину. Набір Seachem, схоже, пішов шляхом додавання розчину, який містить велику кількість стронцію (принаймні, це мій висновок на основі ICP-аналізу “боратного осаджувача лужності”, який містить велику кількість стронцію (порядку 18% за вагою); він може містити й інші речовини).
У досить великих кількостях стронцій буде осаджувати карбонат7
8) Sr 2+ + CO3 2- → SrCO3 (наприклад, мінерал стронціаніт)
Це випадання легко перевірити, додавши надлишок хлориду стронцію до морської води. Рівень рН падає, оскільки SrCO3 осаджується з розчину. У випадку з цим набором падіння рН при додаванні осаджувача (близько 0,2 одиниці рН) менше, ніж при додаванні великої кількості стронцію до акваріумної води (падіння рН аж до 6), тому, можливо, ця реакція інгібується або контролюється іншими інгредієнтами осаджувача.
Стронцій також утворює розчинні комплекси (тобто іонні пари) з карбонатом і бікарбонатом5,8,9
9) Sr 2+ + CO3 2- → SrCO3 (розчинна)
10) Sr 2+ + HCO3 – → SrHCO3+ (розчинна)
Такі розчинні комплекси можуть утримувати бікарбонат і карбонат і ускладнювати їх виявлення при титруванні рН. Іншими словами, вони знижують pKa.
Стронцій може також осаджувати сульфат, як мінерал целестин (SrSO4), тому частина або весь осад, що утворюється, може насправді бути сульфатом стронцію. Проте, якщо стронцій виводить ці іони з гри, утворюючи нерозчинні осади або комплекси, які не розпадаються при кінцевій точці рН 6, то вони були вилучені з визначення лужності.
Висновки
Набір для визначення боратної лужності Seachem намагається виконати дуже складне завдання: визначення боратної лужності морських акваріумних зразків в присутності фону бікарбонатної та карбонатної лужності. На жаль, в моїх руках він не дає точних і корисних значень для акваріумістів.
Якщо ви вирішите використовувати його, я б запропонував використовувати рН-метр, щоб отримати справжню кінцеву точку рН 6, замість того, щоб намагатися побачити колір в дуже каламутному розчині.
В майбутньому я буду тестувати тест-набір для визначення бору Salifert, щоб побачити, чи може він забезпечити альтернативний і, сподіваюсь, більш точний спосіб визначення лужності бору та боратів.
Тим часом … Щасливого рифінгу!
Посилання
- Бор в рифовому акваріумі Ренді Холмс-Фарлі, “Просунутий акваріуміст”, грудень 2002 року.
- Що таке лужність? Ренді Холмс-Фарлі. Просунутий акваріуміст. Лютий 2002 р.
- Хімічні та біохімічні механізми кальцифікації від Ренді Холмс-Фарлі “Просунутий акваріуміст”. Квітень 2002 р.
- Склад декількох синтетичних сумішей морської води, Марлін Аткінсон та Крейг Бінгман
- Хімічна океанографія, друге видання. Міллеро, Френк Дж. США. (1996), 496 сторінок. Видавництво: (CRC, Бока-Ратон, штат Флорида).
- Концепції водної хімії. Панков, Дж. Ф. (1991), 712 с. Видавець: Lewis Publishers, Inc.
- Розчинення твердих розчинів арагоніту-стронтоніту в нестехіометричних розчинах Sr(HCO3)2-Ca(HCO3)2-CO2-H2O розчинах. Пламмер, Л. Н.; Бусенберг, Е.; Глінн, П. Д.; Блюм, А. Е. Геол. Surv., Reston, VA, USA. Geochimica et Cosmochimica Acta (1992), 56(8), 3045-72.
- Визначення констант стійкості бікарбонатних і карбонатних комплексів з використанням стронцію-85. Нільссон, Карен, Дженсен, Б. Скитте. Chem. Dep., Risoe Natl. Lab., Roskilde, Den. European Applied Research Reports, Nuclear Science and Technology Section (1982), 4(2), 535-60.
- Бікарбонатні комплекси барію та стронцію. Накаяма, Френсіс Шигеру; Раснік, Б. А. U.S. Water Conserv. Lab., Phoenix, AZ, USA. Журнал неорганічної та ядерної хімії (1969), 31(11), 3491-4.
Source: reefs.com