Хімія та акваріум: Питома вага: Як все складно!

Ласкаво просимо до напрочуд складного світу питомої гравітації!

Одне з питань, з яким стикається кожен морський акваріуміст – це кількість солі, яку потрібно додати в акваріум. Більшість текстів для початківців описують солоність з точки зору питомої ваги, а потім розповідають, як її можна виміряти за допомогою гідрометра. Хоча це не настільки точно, як вимірювання солоності за допомогою зонда провідності або рефрактометра, багато хто обирає гідрометри, оскільки вони недорогі та прості у використанні. Для багатьох акваріумних цілей вони цілком адекватні.

На жаль, вимірювання питомої ваги набагато складніше, ніж визнає більшість любителів. Крім того, було надано багато дезінформації про те, як солоність пов’язана з питомою вагою та показаннями гідрометра, а також про те, як ці значення змінюються залежно від температури. У цій статті ми спробуємо прояснити ці взаємозв’язки.

Рисунок 1. Помаранчева анемона Epicystis crucifer, яка процвітає в акваріумі автора при S=35.

У цій статті я не буду торкатися питання про те, які значення солоності є “оптимальними” для утримання морських акваріумів. Це питання розглядалося в попередніх статтях, таких як ця стаття Рона Шимека.

Ще один момент щодо солоності: в цій статті, як і в літературі з хімічної океанографії, солоність морської води тепер визначається як безрозмірна одиниця, S. У старій літературі вона має одиниці ppt (частин на тисячу за вагою), і це приблизно так, але тепер вона визначається як відношення провідності морської води до провідності розчину хлориду калію певного складу. Отже, морська вода має S=35 (або якесь подібне число). Інші розчини, такі як простий хлорид натрію, не визначаються таким чином, і все ще позначаються як ppt. Це визначення солоності детально описано в “Хімічній океанографії” Френка Міллеро (1996).

Що таке питома вага?

Питома вага визначається як відношення густини рідини до густини чистої води. Оскільки густина чистої води змінюється в залежності від температури, для визначення питомої ваги необхідно вказати температуру чистої води. Для багатьох наукових досліджень (наприклад, мінералогії) стандарт температури обрано 3,98 °C (39,2 °F; визначається як температура максимальної густини чистої води). При цій температурі густина чистої води становить 1,0000 г/см3. Якщо це обраний стандарт, легко побачити, що питома вага – це просто щільність зразка при 3,98 °C, виміряна в г/см3 (без будь-яких одиниць, оскільки питома вага є безодиницевою мірою).

Чому питома вага корисна для акваріумістів? Перш за все тому, що це простий і кількісний спосіб визначити, скільки чогось знаходиться у воді. Якщо в ній розчинити речі менш щільні, ніж вода, то питома вага буде падати. Етанол, наприклад, менш густий, ніж вода, і змушує питому вагу падати. Цей факт використовується пивоварами для вимірювання кількості алкоголю в пиві.

Аналогічно, якщо в ній розчинити речовини, щільніші за воду, питома вага зростає. Майже всі неорганічні солі густіші за воду, тому їх розчинення у воді призводить до збільшення питомої ваги. Це підвищення може бути використано акваріумістами для визначення кількості солі у воді. Звичайно, він не може сказати вам, що знаходиться у воді, але якщо ви використовуєте відповідну сольову суміш, він може сказати вам, скільки її там і чи наближається вона до природної морської води чи ні.

Як стандартні гідрометри вимірюють питому вагу?

Стандартні гідрометри працюють за принципом Архімеда. Цей принцип стверджує, що вага гідрометра (або іншого об’єкта, наприклад, айсберга або корабля) дорівнює вазі рідини, яку він витісняє. Отже, гідрометр буде тонути до тих пір, поки не витіснить власну вагу. Коли його опускають у розчини різної густини, він спливає то вище, то нижче, поки не витіснить власну вагу. У більш щільних рідинах він плаває вище (витісняючи менше рідини), а в менш щільних – нижче. По суті, цей принцип є відображенням того факту, що гравітаційна потенційна енергія системи мінімізується, коли гідрометр просто витісняє власну вагу. Будь-яке інше зміщення спричиняє дію на воду та гідрометр сил, які змушують їх рухатися до оптимального положення.

Малюнок 2. Гідрометр SeaTest з поворотним важелем, виготовлений компанією Aquarium Systems, на якому показано важелі, виготовлені з двох різних матеріалів.

Маятникові гідрометри

Маятникові гідрометри дещо відрізняються від інших, оскільки жоден з них не знаходиться над ватерлінією. У цьому випадку маятниковий важіль реагує на різницю щільності, обертаючи руку з нерівномірним розподілом ваги. Типові аматорські маятникові гідрометри використовують плече, виготовлене з двох різних матеріалів (рис. 2). Різниця густини між водою та одним з матеріалів змушує стрілку коливатися в одному напрямку, а різниця густини між водою та другим матеріалом змушує стрілку коливатися в протилежному напрямку. У положенні рівноваги ці сили зрівноважуються, і гідрометр дає стабільний показник. Знову ж таки, кінцевим результатом є мінімізація гравітаційної потенційної енергії системи.

Чи впливає іонний дисбаланс на питому вагу?

Одне з питань, яке часто задають, – чи впливають зміни в різних іонах на питому вагу. Відповідь полягає в тому, що для любителя, який використовує звичайну суміш солі, вони не впливають. Щоб отримати приблизне розуміння цього ефекту, розумно припустити, що всі іони вносять свій внесок у питому вагу в кількості, пропорційній їх ваговому відсотку в морській воді. Наприклад, я перевірив питому вагу 15 різних неорганічних солей при однаковій “солоності” (100 ppt при 20 °C). Всі вони були дуже схожі, з різницею менш ніж у два рази між найвищою (сульфат цинку, питома вага = 1,1091 г/см3) і найнижчою (хлорид літію; питома вага = 1,0579).

У певному сенсі, чим більше будь-якого іона, незалежно від хімічної природи, присутнього у воді, тим більший вплив він має на питому вагу. Оскільки це саме те, що таке солоність (вага твердих речовин у воді), малоймовірно, що будь-яка нормальна зміна іонів, яку бачать морські акваріумісти, надмірно спотворює вимірювання питомої ваги. Оскільки 4 основні іони в морській воді (Na+, Mg++, Cl-, SO4-) складають 97 вагових відсотків від загальної кількості, будь-які зміни в інших іонах не матимуть значного впливу на питому вагу.

А як щодо змін у цих чотирьох головних іонах? Візьмемо крайній випадок, коли сіль складається тільки з хлориду натрію. Виявляється, що розчин хлориду натрію з густиною 37 проц. має таку ж питому вагу, як і морська вода з густиною S = 35. Таким чином, можна побачити, що навіть великі зміни в іонному балансі призводять до досить невеликих змін у співвідношенні між питомою вагою і солоністю. З цих причин для більшості акваріумістів безпечно ігнорувати будь-який вплив, який можуть мати відмінності в іонних складових на взаємозв’язок між питомою вагою і солоністю. Звичайно, якщо у вас є грубо неточна суміш морської води (що складається лише з броміду калію або сульфату магнію, наприклад), тоді взаємозв’язок між питомою вагою та солоністю, який передбачається для морської води, буде порушений. Наприклад, чистий розчин броміду калію з такою ж питомою вагою, як у природної морської води (S = 35), має “солоність” близько 36 ppt. Аналогічний чистий розчин сульфату магнію має “солоність” лише 26 проміле.

Температура еталону

На жаль, світ питомої ваги не такий простий, як описано вище. Очевидно, що в різних галузях вибрані різні стандартні температури. На додаток до стандарту 3,98 ° C, інші включають 20 ° C (68 ° F) і 60 ° F (15,6 ° C). Швидкий перегляд декількох каталогів лабораторного обладнання показує багато прикладів гідрометрів, що використовують кожну з цих двох температур, а також кілька нестандартних, доданих для більшої точності (наприклад, 102 °F для молока). Більшість авторів, які пишуть про морські акваріуми, припускають, що люди використовують стандарт 60 °F, але насправді багато акваріумістів цього не роблять, а в деяких випадках вони навіть не знають, що вони використовують. Деякі хобі-гідрометри використовують інші стандарти, причому 77 °F є досить популярним (використовується Tropic Marin, наприклад).

Густина чистої води при 20 °C становить 0,998206 г/см3, а при 60 °F – 0,9990247 г/см3. Хоча ці показники здаються близькими до 1, і часто в багатьох контекстах просто стверджується, що вони дорівнюють 1,00, різниця може бути суттєвою. Наприклад, питома вага природної морської води (S = 35) становить 1,0278 при використанні стандарту 3,98 °C, 1,0269 при використанні стандарту 60 °F, 1,0266 при використанні стандарту 20 °C і 1,0264 при використанні стандарту 77 °F. [Я розрахував їх на основі таблиць густини морської води, різні таблиці можуть мати дещо різні значення густини, що може призвести до дещо різних питомих ваг]. Хоча ці відмінності невеликі, вони реальні. Вони виникають через те, що щільність чистої води і морської води дещо по-різному змінюється з температурою. Морська вода стає менш щільною швидше, ніж чиста вода, коли температура підвищується. Цей ефект може бути пов’язаний з взаємодією між іонами та між іонами і водою в морській воді, які розпадаються при підвищенні температури, але це виходить за рамки цієї статті.

На жаль, з мого досвіду багато акваріумістів, які посилаються на вимірювання питомої ваги для своїх акваріумів, не знають, який стандарт використовується їхнім гідрометром. Більшість якісних лабораторних гідрометрів матимуть використовуваний стандарт, написаний на них або на їх супровідних документах. Однак на деяких аматорських гідрометрах немає жодної згадки про використовуваний стандарт. Зауважте, що не існує жодної “поправочної” таблиці, яка може перетворити показання при температурах, відмінних від стандартної температури, якщо ви не знаєте стандартну температуру. Якщо Ви не знаєте її, використання такої таблиці не дасть точних значень, і може дати значення, більш далеке від істини, ніж нескориговані показання.

Температура зразка

Як ніби плутанини з температурою стандарту було недостатньо, температура зразка також є змінною величиною. На багатьох якісних лабораторних гідрометрах очікувана температура зразка також вказана безпосередньо на них. Це називається “еталонною” температурою. У багатьох випадках (хоча і не у всіх) стандартна температура і еталонна температура однакові: або 60 °F, або 20 °C. Це часто пишуть як “60 °F/60 °F”, хоча іноді пишуть просто як “Температура стандартизації: 60 °F”. Якщо гідрометр використовується при еталонній температурі, ніяких спеціальних поправок не потрібно (хоча отримана відповідь буде дещо залежати від стандартної температури, обраної виробником, як описано вище).

Чому температура зразка має значення? Є дві причини. Одна з них полягає в тому, що сам гідрометр може змінювати свою щільність в залежності від температури, і, таким чином, давати неправильні показання при будь-якій температурі, крім тієї, для якої він спеціально розроблений (тобто, він плаває вище або нижче, коли змінюється його щільність). На жаль, якщо у вас немає таблиці для вашого конкретного гідрометра (яка рідко поставляється), цей ефект не може бути виправлений за допомогою таблиці через різні матеріали, з яких виготовлені гідрометри. Різні типи скла та пластику використовуються для гідрометрів, і кожен з них буде мати свою особливу зміну щільності в залежності від температури. Слід зазначити, що для скляних гідрометрів цей ефект значно менший, ніж другий ефект, описаний нижче, оскільки зміна густини скла з температурою у 8-25 разів менша, ніж зміна густини водних рідин.

Друга причина важливості температури зразка полягає в тому, що сам зразок буде змінювати свою густину в залежності від температури. Наприклад, щільність морської води (S = 35) змінюється від 1,028 г/см3 при 3,98 °C до 1,025 г/см3 при 20 °C і до 1,023 г/см3 при типовій температурі морського акваріума 80 °F. Оскільки щільність зразка змінюється з температурою, виміряна питома вага також буде змінюватися, якщо це не враховано.

Вплив температури на густину зразка можна виправити за допомогою таблиці, припускаючи, що відомо, як густина зразка буде змінюватися з температурою (що добре відомо для морської води), а також, що відома температура стандартизації гідрометра. Наприклад, якщо у вас є гідрометр, відкалібрований на 60 °F/60 °F, то ви будете робити поправку на різницю в щільності між зразком при 60 °F і температурою, при якій ви його вимірювали. Якщо фактичний зразок був виміряний при 86 °F, то поправка дорівнює відношенню щільності морської води при 86 °F (приблизно 1,0217 г/см3) до щільності при 60 °F (приблизно 1,0259 г/см3), або 0,996. Таким чином, показник питомої ваги, або, точніше, показник гідрометра, що дорівнює 1,023, буде скоригований до “фактичного” показника 1,027.

Знову ж таки, якщо ви не знаєте температуру стандартизації, вам не пощастило, і виправлення за допомогою таблиці, швидше за все, призведе до більших помилок, ніж до виправлення будь-яких помилок. Аналогічно, використання “коригувальної” таблиці, в якій не вказано, що саме вона має на меті виправити, є однаково ризикованим.

Деякі морські хобі-гідрометри стверджують, що вони є точними при будь-яких температурах (68 – 85 °F; до них відносяться SeaTest, Deep Six і eSHa Marinomat). Такий прилад можна сконструювати, якщо його зміна щільності в залежності від температури була б точно такою ж, як у морської води при всіх температурах. Два з них, протестовані нижче (SeaTest і Deep Six), виконують непогану роботу з температурної корекції, але фактично дещо завищують її.

Малюнок 3. Кінець поворотного важеля гідрометра Deep Six виробництва Coralife. Він показує S=33, і легко зчитується з точністю до ± 0,5.

Наскільки точно визначається солоність за допомогою питомої ваги? Якщо виміряти питому вагу з точністю до 2 значущих цифр, то невизначеність солоності становить ± 0,7 (за умови, що питома вага виміряна правильно і точно). Наприклад, якщо питома вага становить 1,027 (припускаючи невизначеність ± 0,0005, що мається на увазі з точністю до 2 значущих цифр), то відповідна солоність буде 35,2 ± 0,7. Аналогічно, питома вага 1,023 відповідає солоності 30 ± 0,7. Звичайно, більш точні вимірювання питомої ваги дадуть більш точні значення солоності, і коефіцієнт 2-5, ймовірно, може бути підібраний за допомогою високоточного гідрометра.

З трьох досліджених аматорських гідрометрів всі були досить точними за аматорськими стандартами. Не було жодних труднощів з відтворенням показань будь-якого з них до солоності ± 0,5 або краще (Рисунок 3). Однак це не означає, що прилади були настільки точними.

Малюнок 4. Гідрометр Tropic Marin показує, що меніск піднімається приблизно до 1,0260, але фактичний показник становить близько 1,0265.

Точність, звичайно, не те ж саме, що прецизійність. Точність може бути представлена значними цифрами, і виміряне значення 1,025763 набагато точніше, ніж 1,026. Однак, якби фактична питома вага рідини була 1,0261000000, то другий показання набагато точніше (тобто, ближче до реального значення), ніж перше.

Так як же вимірюють ці гідрометри? У моєму резервуарі вода була виміряна на S=35 ± 0,5 по електропровідності. Використовуючи гідрометр Deep Six, я отримав показники S=32,5 ± 0,5 при 81 °F і S=32 ± 0,5 при 68 °F. Використовуючи SeaTest, я отримав S=34,5 ± 0,5 при 81 °F і S=34 ± 0,5 при 68 °F.

Для стандартного гідрометра Tropic Marin я отримав питому вагу 77 °F/77 °F приблизно 1,0265 ± 0,0003 (рис. 4), що добре порівнюється з очікуваним значенням 1,0264.

Як користуватися стандартним гідрометром

На додаток до вже описаних питань, ось кілька порад щодо використання гідрометра:

1. Переконайтеся, що гідрометр повністю чистий (без сольових відкладень) і що частина гідрометра, яка знаходиться над ватерлінією, суха. Якщо кинути його в воду так, щоб він глибоко занурився, а потім піднявся на поверхню, на відкритій частині залишиться вода, яка обтяжить гідрометр і дасть помилково низькі показники питомої ваги. Відкладення солі вище ватерлінії матимуть такий самий ефект. Якщо будь-які відкладення не розчиняються, спробуйте промити в розведеній кислоті (наприклад, оцті або розведеній соляній кислоті).
2. Переконайтеся, що на гідрометрі немає бульбашок повітря. Вони допоможуть підняти гідрометр і дадуть помилково високі показники питомої ваги.
3. Переконайтеся, що гідрометр має таку ж температуру, як і вода (і, бажано, повітря).
4. Знімайте показання гідрометра в площині поверхні води, а не по меніску (рис. 4; меніск – це кромка води, яка або піднімається вгору вздовж штока гідрометра, або вигинається вниз у воду, в залежності від гідрофобності гідрометра).
5. Після використання промийте прісною водою для зменшення відкладень.
6. Не залишайте гідрометр плаваючим в резервуарі між використаннями. Якщо ви це зробите, з часом можуть утворитися відкладення, які важко видалити.

Як користуватися гідрометром з поворотним важелем

На додаток до описаних вище, ось кілька спеціальних порад для маятникових гідрометрів:

1. Переконайтеся, що гідрометр повністю вирівняний. Невеликий нахил в будь-яку сторону змінить показання.
2. Гідрометр Deep Six рекомендує “приправити” голку, заповнивши її водою на 24 години перед використанням. Імовірно, це дозволяє воді, що ввібралася в пластик, досягти рівноваги. У випадку з гідрометром, протестованим у цій статті, показання стали дещо менш точними після витримування.

Висновок

Якщо не більше, я сподіваюся, що ця стаття приверне увагу акваріумістів до деяких питань, що стоять за використанням гідрометрів та питомої ваги для вимірювання солоності. Для тих, хто зацікавлений у додатковому обговоренні гідрометрів і того, як вони пов’язані з питомою вагою та солоністю, є хороша дискусія в книзі Стівена Спотта “Морські риби в неволі”, а також діаграма для коригування вимірювань питомої ваги 60 °F/60 °F, зроблених при інших температурах.

Source: reefs.com