Без кейворду

Спрощене керівництво по взаємозв’язку між кальцієм, лужністю, магнієм і pH

Одними з найважливіших хімічних параметрів у рифовому акваріумі є кальцій та лужність. На жаль, те, як вони співвідносяться один з одним, часто викликає подив у рифових акваріумістів. Такі взаємозв’язки добре зрозумілі і описані в хімічних термінах, і я детально описав їх за допомогою хімічних і математичних рівнянь у багатьох попередніх статтях. Ці описи, однак, часто не задовольняють багатьох акваріумістів, які не мислять в таких термінах. Коли в дискусію вкидаються магній і рН, описи взаємозв’язків стають ще більш складними і менш зрозумілими для багатьох.

Не менш розчаровує і те, що такі взаємозв’язки іноді описуються в надмірно спрощених термінах. На жаль, необережне спрощення може призвести до неправильних висновків. Наприклад, спрощене уявлення про те, що загальна кількість кальцію і лужності, яка може бути стабільною в морській воді, має єдину верхню межу, може призвести до непорозумінь. Наприклад, мені часто задають питання типу:

“Як високо я можу підняти лужність до того, як почнуться опади?” або “У моїх тест-наборах вказано, що кальцій становить 700 ppm. Це неможливо, чи не так?”

Гірше того, такі непорозуміння можуть призвести до того, що деякі акваріумісти відмовляться від спроб зрозуміти хімічні процеси, що відбуваються в їх акваріумах, коли такі спрощені уявлення призводять до висновків, які, як вони знають на власному досвіді, є явно помилковими.

У цій статті буде описано взаємозв’язок між кальцієм, лужністю, магнієм і pH простими, інтуїтивно зрозумілими способами. Сюди входять дуже прості малюнки, які допоможуть акваріумістам зрозуміти складні процеси, що відбуваються, способами, які, сподіваємось, мають сенс і можуть бути легко застосовані до реальних рифових акваріумів. Крім того, хоча ці малюнки дещо спрощені, вони все одно є “правильними” за своєю суттю і тому не повинні вводити акваріумістів на шлях непорозумінь.

Розділи цієї статті найкраще читати по порядку, оскільки вони побудовані один на одному. Отже, вони такі:

• Кальцій
• Лужність
• Карбонат кальцію
• Розчинність простих речовин
• Пересичення простої речовини
• Розчинність карбонату кальцію
• Карбонат кальцію і pH
• Карбонат кальцію і лужність
• Карбонат кальцію і магній
• Короткий огляд абіотичних ефектів розчинності карбонату кальцію
• Резюме біологічного осадження карбонату кальцію
• Додаткова література
• Висновок

Кальцій є одним з основних іонів у морській воді. Його концентрація в природній морській воді становить близько 420 частин на мільйон, тобто він складає трохи менше 1,2% за вагою твердих речовин морської води. В океані відхилення від цієї концентрації найчастіше спричинені змінами солоності, які змушують кальцій коливатися так само, як і солоність. Іон кальцію несе два позитивних заряди в морській воді і записується як Ca ++.

Кальцій дуже важливий у рифовому акваріумі, оскільки багато організмів, включаючи корали та коралові водорості, поглинають його для відкладення скелетів карбонату кальцію. Якщо його не підтримувати на належному рівні, такі організми відчувають стрес і можуть навіть загинути. Я рекомендую рифовим акваріумістам підтримувати кальцій на рівні 380-450 ppm.

Лужність – це комплексний показник. Це не “річ” у воді. Насправді це сума багатьох речей, які разом забезпечують певну хімічну властивість. Причина, по якій акваріумісти вимірюють лужність, полягає в тому, що в нормальній морській воді більша її частина складається з бікарбонату і карбонату. Бікарбонат (HCO₃ – ) – це те, що корали поглинають і переробляють у карбонат (CO₃ — ) для того, щоб побудувати свій карбонатний скелет з кальцію. Отже, лужність є показником того, чи є у воді достатня кількість бікарбонату.

Від нормальної до високої лужності означає достатню кількість бікарбонату, в той час як низька лужність означає, що він може бути в дефіциті. За відсутності будь-якого методу доповнення лужності в рифовому акваріумі вода може швидко збідніти на бікарбонат. Виснаження лужності від нормального до неприйнятного рівня може зайняти лише день або два в деяких рифових акваріумах, хоча це може зайняти більше часу в акваріумах з меншою потребою в карбонаті. Коли бікарбонат у воді виснажується, корали, які відкладають карбонат кальцію, можуть зазнати стресу і навіть загинути. Я рекомендую рифовим акваріумістам підтримувати лужність на рівні 2,5-4 мекв/л (7-11 dKH, 125-200 ppm еквівалентів карбонату кальцію).

Оскільки багато коралів, коралових водоростей та інших кальцифікуючих організмів потребують як кальцію, так і лужності (у вигляді бікарбонату), необхідно постійно забезпечувати наявність достатньої кількості цих елементів. На жаль, існує природна тенденція до абіотичного (небіологічного) осадження нерозчинного карбонату кальцію з води при з’єднанні іонів кальцію та карбонатних іонів. Ця тенденція до осадження відіграє велику роль у взаємозв’язку між кальцієм і лужністю в рифових акваріумах.

Морська вода насправді містить набагато більше кальцію, ніж карбонату або бікарбонату. Навіть якщо всю лужність звичайної морської води видалити шляхом осадження карбонату кальцію, вміст кальцію знизиться лише приблизно на 50 проміле. З цієї причини лужність змінюється набагато швидше і ширше, у відсотковому відношенні, ніж кальцій, коли і те, і інше надмірно або недостатньо дозовано, відносно їх потреби.

Розчинність простих твердих речовин

Перш ніж обговорювати розчинність і осадження складних твердих речовин, таких як карбонат кальцію, давайте спочатку розглянемо набагато простіший випадок. Наприклад, іони натрію та хлориду, з’єднуючись, утворюють тверду речовину хлорид натрію (кухонну сіль). Уявіть собі невеликий шматочок твердого хлориду натрію, поміщений у прісну воду (рис. 1). Він розчиняється, коли іони залишають його поверхню (рис. 2).

Малюнок 1. Схема розчинення простої твердої речовини, такої як хлорид натрію, у воді. Іони натрію (червоний колір) та хлорид-іони (білий колір) утворюють впорядковану структуру в твердій речовині.

Малюнок 2. Схема того, що відбувається, коли просту тверду речовину, таку як хлорид натрію (рис. 1), вперше розчиняють у воді. Іони залишають поверхню і переходять у водну фазу (стрілки вгору).

Цей процес збільшує кількість іонів у воді. Незважаючи на те, що твердий шматок повільно зникає, процеси на молекулярному рівні не є односторонніми. Крім іонів, що залишають його поверхню і переходять в розчин, інші іони надходять з розчину і потрапляють на поверхню твердого шматка, тим самим стаючи його частиною (рис. 3).

Малюнок 3. Для будь-якого твердого тіла в розчині, крім тих, що продовжують виділятися, існують іони, які постійно осідають на поверхню і приєднуються до неї (стрілки вниз). На малюнку 2 показані ті, що вивільняються, а на цьому малюнку – ті, що осідають на поверхню.

Зрештою, відбувається одне з двох: або весь твердий хлорид натрію розчиняється, залишаючи в розчині тільки іони, або досягається межа розчинності, і він більше не розчиняється. Що таке межа розчинності? Простіше кажучи, це точка, в якій швидкість, з якою іони потрапляють на поверхню хлориду натрію і стають його частиною, точно збігається зі швидкістю, з якою іони залишають її (рис. 4). Оскільки швидкість, з якою іони потрапляють на поверхню, залежить від кількості іонів у розчині, межа розчинності – це певна концентрація іонів у розчині, при якій “швидкість входу” і “швидкість виходу” однакові. Шматочок солі, що знаходиться в насиченому розчині кухонної солі, може виглядати так, ніби він просто лежить, але на молекулярному рівні відбувається величезна кількість активності, причому потік іонів, що залишають поверхню, дорівнює потоку іонів, що приземляються на неї.

Малюнок 4. Тверда речовина в розчині, точно насиченому її іонами, має рівну кількість іонів, що осідають на поверхню (стрілки вниз), і тих, що вивільняються (стрілки вгору). З часом може відбуватися значне перемішування іонів між поверхнею і водою, але чиста кількість іонів у розчині не змінюється.

Пересичення простого твердого тіла

В описаному вище прикладі кількість іонів натрію і хлориду в розчині по суті однакова, тому що всі вони вийшли з твердого хлориду натрію, а сама тверда речовина стабільна тільки при рівній кількості іонів натрію і хлориду, що залишаються в ній. Але ця рівність в розчині не завжди дотримується. Припустимо, що ми починаємо з насиченого розчину кухонної солі у воді. Потім ми збільшуємо вміст натрію, але не хлориду (можна було б збільшити і той, і інший, але поки що зупинимося на одному). Цього можна досягти, наприклад, шляхом розчинення у воді деякої кількості нітрату натрію, що збільшить швидкість, з якою іони натрію потрапляють на поверхню хлориду натрію.

Таке збільшення фактично підвищує ймовірність того, що хлорид-іон, який потрапляє на неї, також буде прилипати. По суті, іони натрію можуть швидко поховати іон хлориду, який стає ненадовго прикріпленим до поверхні, не даючи йому “втекти” (рис. 5). Таким чином, збільшення кількості одного іона в парі, що розчиняється, може зменшити концентрацію іншого, витісняючи його в тверду фазу.

Малюнок 5. Коли в розчині є надлишок іонів, розчин є перенасиченим. Тут в розчині є надлишок іонів натрію (червоний колір), і оскільки вони осідають і прилипають до поверхні, вони також захоплюють іони хлориду в тверде тіло (синє коло).

Як приклад, починаючи з 10 одиниць натрію і 10 одиниць хлориду в розчині при насиченні, а потім додаючи додаткові п’ять одиниць натрію (разом з п’ятьма одиницями нітрату), ефект буде таким, що 15 одиниць натрію і 10 одиниць хлориду стануть “перенасиченими”. Тобто, в розчині знаходиться більше, ніж стабільно. Швидкість, з якою натрій і хлорид осідають на поверхню, більша, ніж швидкість, з якою вони розчиняються. З плином часу кількість в розчині зменшується, і розчин рестабілізується (тобто повернеться до насичення) після того, як приблизно 2,2 одиниці хлориду натрію випадуть в осад, залишивши близько 12,8 одиниць натрію і 7,8 одиниць хлориду в розчині.

Хоча ці цифри є фактично правильними, те, як вони були розраховані, дещо неважливо. Для спрощеного розуміння важливо знати, що коли вода перенасичена, з будь-якої причини, ймовірно, відбудеться деяке випадання опадів, тим самим зменшуючи кількість в розчині до тих пір, поки знову не буде досягнуто насичення, врівноважуючи поточне розчинення і випадання опадів. Важливо, що якщо перенасичення досягається додаванням одного з іонів в надлишку, то насичення знову може бути досягнуто тільки шляхом зменшення кількості обох іонів, оскільки осадження на поверхню не може бути обмежене тільки іонами натрію. Цей ефект пояснює, як додавання натрію до насиченого розчину хлориду натрію зменшує кількість присутнього хлориду.

Розчинність карбонату кальцію

Розчинність карбонату кальцію подібна до розчинності хлориду натрію, як описано вище. Зокрема, розчинність визначається швидкістю “включення” і “виключення” іонів кальцію і карбонату, і штучне підвищення рівня одного з них може сприяти виведенню іншого на поверхню. Наприклад, саме цим ефектом пояснюється взаємозв’язок між концентрацією кальцію та лужністю морської води.

Деякі ефекти розчинності карбонату кальцію набагато складніші, ніж хлориду натрію, і вони обговорюються в наступних розділах. Але деякі важливі моменти щодо цього взаємозв’язку слід розглянути, перш ніж переходити до більш складних ситуацій. Наприклад:

1. Звичайна морська вода (кальцій = 420 ppm, рН = 8,2, лужність = 2,5 мекв/л (7 dKH)) значно перенасичена карбонатом кальцію. Тобто, вода вже містить його в розчині більше, ніж було б стабільно в довгостроковій перспективі. Швидкість, з якою іони кальцію та карбонату приземляються на поверхню чистого карбонату кальцію в морській воді, вища, ніж швидкість, з якою вони залишають її (магній змінює це співвідношення, як детально описано в наступному розділі).

2. Якщо вода містить надлишок кальцію і карбонату, то можливий початок осадження карбонату кальцію, і воно може тривати до тих пір, поки не буде досягнуто насичення. Іншими словами, якщо в рифовому акваріумі дуже високий рівень кальцію або лужності (або і того, і іншого), то осадження карбонату кальцію може знизити і те, і інше. Знову ж таки, магній має тенденцію змінювати це співвідношення. Цей ефект можна продемонструвати, додавши в морську воду свіжий пісок з карбонатом кальцію. Відбувається чітке падіння рН, оскільки карбонат кальцію осаджується на свіжу поверхню. Також можна виявити падіння рівня кальцію та лужності, але процес зазвичай зупиняється (через втручання магнію) до того, як ці параметри знизяться настільки, що їх можна буде виявити за допомогою тест-набору для хобі-тестів.

3. Чим більше іонів кальцію і карбонату є понад “насичення”, тим вище швидкість випадання осаду карбонату кальцію. Іншими словами, чим більше “швидкість включення” перевищує “швидкість виключення”, тим швидше може відбуватися осадження.

4. Якщо вода знаходиться нижче рівня “насичення” по відношенню до кальцію і карбонату, то чисті опади не будуть відбуватися. Іншими словами, якщо в рифовому акваріумі дуже низький рівень кальцію або лужності, то підвищення одного або обох показників до природного рівня не призведе до негайного зниження іншого.

Карбонат кальцію та pH

Розчинність карбонату кальцію сильно залежить від рівня pH. Чим нижче рН, тим більш розчинний карбонат кальцію. Причина цього ефекту випливає з того ж самого аналізу, який ми проводили весь час: “включення” та “виключення” іонів кальцію та карбонату. В даному випадку ефект рН обумовлений зміною концентрації карбонату в розчині.

Бікарбонат і карбонат є формами одного і того ж іона. При більш низьких значеннях рН переважає бікарбонатна форма (HCO₃ – ) переважає. При більш високих значеннях рН все більше і більше існує карбонатна форма (CO₃ — ) (рис. 6). Ефект дуже сильний, оскільки кожні 0,3 одиниці падіння рН нижче приблизно 9 викликає дворазове падіння концентрації карбонатів. Повне падіння рН на одиницю відповідає десятикратному зменшенню концентрації карбонатів.

Рисунок 6. Графічне зображення відносної кількості бікарбонатних (зелений колір) та карбонатних (червоний колір) іонів у розчині в залежності від рН. При підвищенні рН більша частина загальних іонів присутня в карбонатній формі. Відносні числа на цих малюнках точно відображають співвідношення цих двох іонів при різних значеннях рН (лужність також дещо зростає між цими малюнками, оскільки один карбонатний іон забезпечує вдвічі більшу лужність, ніж бікарбонатний іон).

Отже, зі зміною рН змінюється і кількість карбонат-іонів у розчині. Оскільки саме концентрація карбонатних іонів визначає “швидкість виходу” карбонату на поверхню (швидкість, з якою карбонат випадає на поверхню), то чим вище рН, тим швидше карбонат випадає на поверхню. Це означає, в свою чергу, що чим вище рН, тим нижче розчинність карбонату кальцію.

Менша розчинність означає, що осадження карбонату кальцію може бути більш інтенсивним при більш високих значеннях рН. Іншими словами, при підвищенні рН кількість кальцію та лугу, які можуть утримуватися в розчині без випадання осаду, зменшується.

Цей ефект є причиною того, що, наприклад, підвищення рН вапняної води до дуже високого рівня може призвести до швидкого випадання в осад карбонату кальцію. Це не обов’язково пов’язано з тим, що у вапняну воду додано багато кальцію або лугу, хоча це може відігравати певну роль, а також з тим, що при підвищенні рН більша частина наявного у воді бікарбонату перетворюється на карбонат, тому концентрація карбонату різко зростає.

І навпаки, падіння рН збільшує кількість кальцію та лужності, які можуть утримуватися в розчині без випадання осаду. Цей ефект є причиною того, що, наприклад, зниження рН до дуже низького рівня за допомогою вуглекислого газу може розчинити карбонат кальцію в реакторі з карбонатом кальцію/вуглекислим газом. При рН 6,5 приблизно в 50 разів менше карбонату, ніж в тому ж розчині при рН 8,2, тому “швидкість включення” для карбонатних іонів значно знижується. Таке зниження “швидкості включення” дозволяє набагато більшій кількості чистого карбонату кальцію розчинятися у воді до досягнення насичення, коли процес розчинення зупиняється.

Цей ефект також підводить до однієї з речей, які збивають з пантелику багатьох акваріумістів. При низькому рН (скажімо, 7,8) в розчині можна підтримувати набагато вищі концентрації кальцію і лужності, ніж при більш високому рН (скажімо, 8,5). З цієї причини акваріумісти, акваріуми яких мають низький рівень pH, часто стверджують, що у них немає проблем з підтриманням високого рівня кальцію та лужності, і рідко видаляють карбонат кальцію зі своїх насосів, тоді як інші акваріумісти з набагато вищим рівнем pH не розуміють, чому вони не можуть підтримувати такі умови в своєму акваріумі, або чому їх насоси часто швидко засмічуються. Ефект наявності більшої кількості карбонату при більш високому рН є одним з основних факторів цієї різниці (іншим є те, що багато коралів насправді можуть потребувати більше кальцію та лужності при більш високому рН, оскільки вони можуть швидше кальцинуватися при більш високому рН). Як наслідок, не слід вважати, що низький рівень pH є кращим, оскільки він дозволяє легше підтримувати рівень кальцію та лужності, а також повільніше засмічувати насоси. Він також є більш стресовим для багатьох кальцифікуючих коралів просто тому, що їм важче кальцифікуватися при низькому рН. Ця підвищена складність пов’язана з тим, що їм доводиться викачувати протон (Н +), коли вони роблять карбонат з бікарбонату, і чим нижче рН, тим більше Н + вже в розчині, і тим важче викачати додатковий Н +.

Карбонат кальцію і лужність

Розчинність карбонату кальцію також сильно залежить від лужності води. Чим вища лужність (при фіксованому рН), тим більше карбонату присутнє (рис. 7). Фактично, кількість присутнього карбонату прямо пропорційна лужності. Так, при лужності 5 мекв/л (14 dKH) карбонатів вдвічі більше, ніж у природній морській воді з лужністю 2,5 мекв/л (7 dKH).

2 мекв/л 5,6 dKH
3 мекв/л 8,4 dKH
4 мекв/л 11,2 dKH
5 мекв/л 14 dKH

Рисунок 7. Графічне зображення бікарбонатних (зелений) та карбонатних (червоний) іонів у розчині в залежності від лужності. При підвищенні лужності і бікарбонат, і карбонат зростають однаково.

Причина зміни розчинності карбонату кальцію в залежності від лужності така ж, як і в інших аналізах в цій статті: “включення” і “виключення” іонів кальцію і карбонату. В даному випадку вплив лужності зумовлений зміною концентрації карбонатів у розчині.

Менша розчинність карбонату кальцію при більш високій лужності означає, що осадження карбонату кальцію може бути більш інтенсивним. Іншими словами, з підвищенням лужності кількість кальцію, яка може утримуватися в розчині без випадання осаду, зменшується.

Цей ефект є причиною того, що, наприклад, підтримання дуже високої лужності може призвести до надмірного осадження карбонату кальцію на таких об’єктах, як нагрівачі та насоси. Аналогічно, при зниженні лужності збільшується кількість кальцію, яка може утримуватися в розчині без випадання осаду.

Карбонат кальцію та магній

Нарешті, ми підійшли до ролі магнію в системі карбонату кальцію. Ситуація з магнієм помітно складніша, ніж з рН і лужністю, але ми можемо продовжити наш попередній аналіз, щоб зрозуміти її якісно. Коли твердий карбонат кальцію потрапляє в морську воду, він не просто піддається динаміці “включення” і “виключення”, як іони кальцію і карбонату, про які йшлося вище. Замість одного з цих іонів в кристалічну структуру можуть потрапити інші. У морській воді іони магнію потрапляють в кристали карбонату кальцію замість іонів кальцію. Іони стронцію також можуть це робити, але їх кількість набагато менша, ніж іонів магнію (приблизно в 600 разів), тому вони менш схильні до включення.

На рисунках 8 і 9 показано, як магній у розчині потрапляє на тонкий шар поверхні карбонату кальцію, занурений у морську воду, і фактично проникає всередину цього шару. Хоча сам по собі карбонат магнію достатньо розчинний, щоб не випадати в осад зі звичайної морської води, у змішаній структурі карбонату кальцію і магнію його розчинність нижча. Тому твердий, чистий карбонат кальцію (рис. 8) швидко перетворюється на матеріал з покриттям з карбонату кальцію і магнію (рис. 9).

Рисунок 8. Діаграма твердого, чистого карбонату кальцію, спочатку поміщеного в розчин, що містить кальцій (білий), карбонат (червоний) і магній (чорний).

Малюнок 9. Діаграма твердого карбонату кальцію в розчині, що містить кальцій (білий), карбонат (червоний) і магній (чорний). Іони магнію заміщають іони кальцію в структурі, і змінюють його хімічно так, що на поверхні він вже не виглядає як карбонат кальцію. Магній проникає на невелику відстань в поверхню, але не може проникнути у всю структуру. Пропозиції ALDI досить цікаві і не тільки як універмагу.

Це покриття має кілька дуже важливих ефектів. Основний ефект полягає в тому, що воно робить поверхню більше не схожою на карбонат кальцію, тому іони кальцію та карбонату, які приземляються на неї, більше не знаходять поверхню такою привабливою, як раніше. Іони магнію змінили поверхню таким чином, що вона не утримує кальцій і карбонат так сильно, і тому швидкість “відриву” будь-яких нових іонів кальцію і карбонату, що приземляються на поверхню, є вищою (рис. 10). Отже, навіть якщо рушійна сила для відкладення карбонату кальцію все ще існує, магній став на заваді і не дозволяє цьому статися (або не дає цьому статися так швидко).

Малюнок 10. Іони кальцію та карбонату, що потрапляють на модифіковану магнієм поверхню карбонату кальцію, вже не знаходять її такою ж привабливою, як поверхню чистого карбонату кальцію, і не залишаються на ній прикріпленими.

Ступінь, в якій магній потрапляє на поверхню карбонату кальцію, сильно залежить від кількості магнію в розчині. Чим його більше, тим більше він потрапляє на поверхні. Якщо вміст магнію нижчий за норму, то він може недостатньо потрапляти на зростаючі поверхні карбонату кальцію, дозволяючи осадженню карбонату кальцію протікати швидше, ніж в іншому випадку, що потенційно може призвести до збільшення абіотичного осадження карбонату кальцію з морської води на такі об’єкти, як нагрівачі та насоси. Часто нездатність підтримувати достатній рівень кальцію та лужності, незважаючи на значні добавки, а також осадження значної кількості карбонату кальцію на нагрівачах та насосах, є ознаками того, що вода має недостатній вміст магнію.

Резюме абіотичних ефектів розчинності карбонату кальцію

Цей розділ підсумовує багато ідей, висвітлених у попередніх розділах, та об’єднує їх для формування більш повного розуміння.

1. Звичайна морська вода (кальцій = 420 ppm, рН = 8,2, лужність = 2,5 мекв/л (7 dKH)) значно перенасичена карбонатом кальцію. Тобто, в розчині вже знаходиться більше іонів (фактично в декілька разів більше), ніж було б стабільно в довгостроковій перспективі. Швидкість, з якою іони кальцію та карбонату потрапляють на поверхню чистого карбонату кальцію в морській воді, вища, ніж швидкість, з якою вони залишають цю поверхню. Це перенасичення створює потенціал для випадання осаду карбонату кальцію.

2. Потенційні опади, описані в (1) вище, “затримуються”, іноді на невизначений час, оскільки магній потрапляє на зростаючу кристалічну структуру карбонату кальцію. Магній змінює поверхню, роблячи її більш не схожою на карбонат кальцію. Таке “отруєння” поверхні уповільнює або зупиняє осадження на ній додаткового кальцію і карбонату. Аномально низький рівень магнію буде менш ефективним для запобігання осадження карбонату кальцію.

3. Чим більше кальцію і карбонату є понад “насичення”, тим вище потенційна швидкість осадження карбонату кальцію. Іншими словами, чим більше “швидкість включення” перевищує “швидкість виключення”, тим швидше можуть відбуватися опади. Якщо потенціал для швидкого випадання осаду існує через дуже високий рівень перенасичення, тим більша ймовірність того, що такий осад перекриє здатність магнію запобігти йому.

4. Факторами, які призводять до більш високого перенасичення, є більш високий вміст кальцію, лужність і рН. Вплив рН є особливо драматичним: збільшення на 0,3 одиниці рН еквівалентне подвоєнню кальцію або лужності з точки зору перенасичення (або з точки зору рушійної сили для випадання опадів). Цей ефект рН пояснює, чому передозування вапняної води може призвести до випадання осаду карбонату кальцію, і чому дозування вапняної води в скімер або іншу закриту систему (наприклад, впускний отвір насоса) може збільшити осад карбонату кальцію всередині неї. Це також пояснює, чому зниження рН води в реакторі з карбонатом кальцію/вуглекислим газом може призвести до розчинення карбонату кальцію в середовищі.

5. Якщо вода знаходиться нижче рівня “насичення” по відношенню до кальцію і карбонату, то ніякого чистого осадження не відбудеться. За нормальних умов морської води, коли вода, по суті, перенасичена карбонатом кальцію, осаду все ще мало, в основному через вміст магнію в морській воді. Отже, якщо рівень кальцію або лужності в рифовому акваріумі нижчий за “нормальний”, то підвищення рівня кальцію або лужності (або обох) до природного рівня не призведе до швидкого випадання карбонату кальцію в осад. Іншими словами, підвищення одного показника за цих умов не призведе до швидкого зниження іншого.

6. Коли карбонат кальцію випадає в осад, він використовує фіксоване співвідношення кальцію і карбонату (1:1, або близько 20 ppm кальцію на кожний 1 мекв/л (2,8 dKH) лужності). Це співвідношення відповідає тому, яке корали використовують для відкладення своїх карбонатних скелетів кальцію. Абіотичне осадження карбонату кальцію, як і формування скелету коралів, може включати інші іони, такі як магній і стронцій. Таке включення зменшить вищезгадане співвідношення з 20 ppm кальцію на кожний 1 мекв/л лужності до дещо нижчого значення. У довгостроковій перспективі цей процес може призвести до виснаження магнію та стронцію в акваріумі, якщо додавати лише кальцій та лужність.

Резюме біологічного осадження карбонату кальцію

Вплив коралів, коралових водоростей та інших організмів, які відкладають карбонат кальцію, хоча і не зовсім такий самий, як абіотичне осадження карбонату кальцію, має деякі схожі риси щодо взаємозв’язку між кальцієм, лужністю, рН та магнієм. Деякі з них є такими:

1. Корали і коралові водорості використовують кальцій і лужність майже виключно для відкладення карбонату кальцію. Через це вони використовують фіксоване співвідношення кальцію до лужності, яке визначається співвідношенням кальцію і карбонату в карбонаті кальцію (1:1). Чисте споживання становить близько 18-20 ppm кальцію на кожен 1 мекв/л (2,8 dKH) лужності. Причина, по якій кількість кальцію варіюється, полягає в тому, що включення магнію замість кальцію дещо відрізняється від виду до виду.

2. Той факт, що корали і коралові водорості використовують фіксоване співвідношення кальцію до лужності, дозволяє розробляти добавки, які відображають це точне співвідношення. Використання такої системи добавок дозволяє точно підібрати добавку відповідно до потреби, і не викликає швидких коливань кальцію або лужності відносно один одного, якщо добавки не є досконалими. До таких збалансованих добавок відносяться, зокрема, карбонатно-вуглекислі реактори, вапняна вода/вапняна вода та двокомпонентні добавки.

3. У природних умовах морської води (кальцій = 420 ppm, рН = 8,2, лужність = 2,5 мекв/л (7 dKH)) багато коралів і коралових водоростей, як вважається, обмежені у швидкості кальцифікації рівнем лужності води. Якщо у воді є додатковий бікарбонат (лужність), то відкладення карбонату кальцію може відбуватися швидше. Іншими словами, якщо в рифовому акваріумі підвищити лужність, то осадження карбонату кальцію може зменшити як вміст кальцію, так і лужність.

4. Якщо рівень кальцію у воді нижче певного порогу (близько 360 ppm при нормальній лужності), то це може обмежити відкладення скелетного карбонату кальцію коралами. У цій ситуації підвищення рівня кальцію до природного рівня або вище з часом призведе до зниження лужності, оскільки корали почнуть використовувати кальцій і лужність з більшою швидкістю.

5. Якщо концентрація кальцію або карбонату в рифовому акваріумі занадто низька, то коралам буде важче відкладати свої скелети з карбонату кальцію. Такі умови можуть викликати у них стрес або навіть призвести до загибелі. В екстремальних умовах їх скелети можуть навіть розчинитися. Акваріумісти часто не беруть до уваги рН як основний фактор зниження концентрації карбонатів. Навіть якщо кальцій та лужність відповідають нормальним концентраціям морської води, значення рН нижче приблизно 7,7 можуть дозволити скелетам арагонітів повільно розчинятися, оскільки кількість карбонату в розчині дуже низька.

Для тих, хто хоче більш суворого і науково детального обговорення питань, що обговорюються в цій статті, або хто хоче розвинути певні ідеї, ці пов’язані статті є гарним місцем для початку:

Коли потреба в кальції та лужності не зовсім збалансована? http://reefkeeping.com/issues/2004-12/rhf/index.htm

Хімічні та біохімічні механізми кальцифікації в коралах

Кальцій та лужність тісно пов’язані в рифових акваріумах. Цей взаємозв’язок зумовлений насамперед тим, як вони поєднуються, утворюючи карбонат кальцію. Відкладення карбонату кальцію може відбуватися при формуванні організмами скелетів, панцирів та інших структур, а також при абіотичному осадженні на таких об’єктах, як нагрівачі та насоси. Утворення карбонату кальцію за допомогою будь-якого механізму використовує приблизно фіксоване співвідношення кальцію та лужності, що дозволяє акваріумістам розробляти стратегії, які доповнюють їх разом у цьому ж співвідношенні.

Один із способів, яким акваріумісти можуть подумати про взаємозв’язок між кальцієм, лужністю, рН та магнієм, полягає в тому, як вони впливають на те, як кальцій та карбонат у розчині з’єднуються разом, щоб випасти в осад у вигляді карбонату кальцію. Підвищення рівня кальцію або карбонату збільшує ймовірність випадання осаду карбонату кальцію. Це відбувається, коли іони потрапляють на зростаючу поверхню карбонату кальцію і прикріплюються до неї швидше, ніж інші іони залишають її. Такі підвищення можуть відбуватися з очевидних джерел, таких як збільшення кальцію або лужності, або через менш очевидні джерела, такі як збільшення рН.

Крім того, магній впливає на те, наскільки ефективно кальцій і карбонат, які “намагаються” випасти в осад, можуть це зробити. Він робить це, змінюючи зростаючу тверду речовину карбонату кальцію таким чином, що вона більше не виглядає такою привабливою для додаткових іонів кальцію та карбонату, щоб прилипати до неї.

Розуміння цих механізмів може допомогти акваріумістам зрозуміти та діяти в багатьох реальних ситуаціях, які вони повинні вирішувати належним чином. До них відносяться підтримка кальцію та лужності, запобігання засміченню насосів, зменшення ймовірності зцементування піщаних шарів, уникнення масивних опадів карбонату кальцію та підтримання процвітання коралів та інших кальцифікуючих організмів.

Source: reefkeeping.com