Аквариумная химия: Кальцит, арагонит, известняк и многое другое

За исключением аквариумов, предназначенных для медуз, практически все морские аквариумы содержат твердые материалы, состоящие из минералов кальцита и арагонита. Как ни странно, но эти два минерала состоят из одного и того же вещества, поскольку оба в разной форме представляют собой карбонат кальция. Итак, все, что состоит из одного или обоих этих минералов, называется карбонатными материалами, и я собираюсь предоставить вам некоторую информацию о каждом из этих материалов и некоторых других, а также объяснить, что есть что и как они связаны друг с другом. Возможно, это звучит не слишком увлекательно, но я уверен, что вы найдете это интересным и, тем не менее, узнаете что-то полезное.

По сути, все твердое в наших аквариумах, не состоящее из ткани, состоит из карбоната кальция, поэтому стоит знать о нем немного.

Карбонатные минералы

В ходе бесконечных процессов выветривания и эрозии дождь и текущая вода медленно разрушают различные породы и переносят большую часть образовавшихся при этом осадков и растворенных веществ в моря. В этих породах можно найти десятки элементов, одним из которых является кальций. Таким образом, в процессе разрушения горных пород буквально тонна за тонной кальция ежегодно вымывается ручьями и реками в Мировой океан.

С другой стороны, в атмосфере мы находим углекислый газ, который вырабатывается животными как продукт дыхания и сжигания органических веществ, а также выдыхается Землей в результате вулканической активности. Углекислый газ также содержится в морской воде, поскольку он выделяется рыбами и другими животными и естественным образом растворяется в воде из атмосферы. Процесс диффузии позволяет ему постоянно проникать в поверхностные воды, находящиеся под воздействием воздуха, после чего он перемешается в более глубокие воды под воздействием постоянной активности волн и течений.

Затем, при соответствующих условиях, кальций, углекислый газ и вода могут химически взаимодействовать, образуя карбонат кальция – CaCO₃. Ряд других элементов может оказаться в смеси и образовать некоторые тесно связанные соединения. Поэтому мы склонны объединять все эти похожие продукты вместе и называть их карбонатами. Из них к аквариумному хобби лучше всего относятся кальцит, арагонит и доломит, которые являются составными частями известняка (и, следовательно, живого камня), карбонатных песков и гравия, а также раковин, скелетов и других твердых частей различных беспозвоночных организмов. Итак, давайте рассмотрим все три этих минерала.

Кальцит

Кальцит – это минерал, который в чистом виде состоит только из карбоната кальция. Он широко распространен в морской среде и в породах, образовавшихся в морских водах, и достаточно химически устойчив, чтобы не растворяться в обычных условиях. Однако часто он не так уж чист, поскольку в процессе его образования в него примешиваются некоторые другие элементы. К таким элементам относятся магний, марганец и железо, обладающие химическими свойствами, которые позволяют им входить в состав кальцита.

Таким образом, в процессе формирования кальцита любой из этих элементов, присутствующих в воде, из которой осаждается минерал, может время от времени проскользнуть внутрь и занять место атома кальция. Магний – самая распространенная примесь, поэтому кальцит часто называют кальцитом с низким содержанием магния (LMC) или кальцитом с высоким содержанием магния (HMC) в зависимости от того, сколько магния присутствует в данном образце.

Арагонит

Как и кальцит, минерал арагонит в чистом виде также состоит только из карбоната кальция. Однако при образовании арагонита атомы кальция, углерода и кислорода связываются между собой по-другому и располагаются в ином порядке. Атомы в образце кальцита расположены в так называемом ромбоэдрическом кристалле, а атомы в образце арагонита – в орторомбическом.

Две разные кристаллические формы одного и того же материала могут показаться странными, но на самом деле это не так. Эта способность существовать в двух кристаллических формах называется полиморфизмом, что означает “множество форм”, и я гарантирую, что вы уже видели такое явление. Вспомните графит, широко известный как грифель для карандашей, и алмаз. Графит – один из самых мягких минералов, занимающий 1-е место по шкале твердости Мооса, а алмаз – самый твердый из известных человеку минералов – 10-е место, но оба они сделаны из одного и того же вещества – углерода. Да, оба они состоят из одних атомов углерода, которые просто расположены по-разному.

Кальцит и арагонит, конечно, не так сильно отличаются, как графит и алмаз, поскольку оба имеют схожую твердость и, как правило, белый цвет. Однако изменение атомного расположения меняет список примесей, которые могут быть легко включены в арагонит. Если кальцит обычно изобилует атомами магния, то арагонит, как правило, изобилует атомами стронция. Иногда в арагонит примешиваются такие элементы, как барий, свинец и некоторые другие, но стронций – самый распространенный из них.

Структура арагонита также менее стабильна, чем структура кальцита, поэтому он более склонен к растворению в аналогичных условиях. А когда в смесь добавляется стронций, она становится еще более нестабильной. Фактически, арагонит считается метастабильным минералом, который может медленно разрушаться до кальцита при нормальных температурах и давлениях без помощи воды, причем при высоких температурах это изменение происходит еще быстрее.

Доломит

В отличие от современных каменистых кораллов, вымершие ругозовые кораллы использовали кальцит для построения своего скелета.

Третий карбонатный минерал, о котором следует упомянуть, – доломит, который представляет собой нечто похожее на кальцит с очень высокой концентрацией магния в нем. Я уже говорил, что кальцит обычно изобилует атомами магния, но даже в высокомагниевом кальците магний составляет лишь небольшую часть от общего количества. Однако при некоторых условиях магния может быть добавлено гораздо больше, и когда количество магния становится примерно равным количеству кальция, полученный минерал называется доломитом. Итак, доломит похож на кальцит и по-прежнему имеет ромбоэдрическую форму, но его химическая формула – CaMg(CO₃)₂.

Материалы, состоящие из карбонатов

Теперь, когда у вас есть базовое представление о том, что такое карбонатные минералы, давайте посмотрим на вещи, которые попадают в наши аквариумы и состоят из них.

Раковины, скелеты и другие твердые части тела

Многие организмы могут извлекать кальций и другие элементы из морской воды, а затем использовать углекислый газ из воды или в результате собственного дыхания для осаждения твердых частей карбоната. Итак, я расскажу о некоторых основных пользователях и минералах, которые каждый из них использует:

Давным-давно существовали некоторые каменистые кораллы, называемые ругозанами, и другие, называемые табулятами, которые, как считается, использовали кальцит для формирования своего скелета. Но все они исчезли с Земли во время необычайного пермско-триасового массового вымирания, которое произошло около 250 миллионов лет назад. Независимо от этого, все каменистые кораллы, которые мы видим сегодня, используют арагонит для создания своего скелета. Однако почти все те, кого мы объединяем под названием “мягкий коралл”, используют кальцит для формирования крошечных склеритов и спикул, которые поддерживают и укрепляют их тело.

Точно так же все иглокожие, включая морских звезд, ломких звезд, криноидей, морских ежей и т.д., используют кальцит для формирования частей, пластин и шипов, составляющих их скелет. Все губки, принадлежащие к классу Calcispongiae, используют кальцит для формирования своих спикул. Все твердые трубкообразные черви, например, елочные черви, используют кальцит и/или арагонит для формирования своих трубок. Некоторые членистоногие, например, амбарные моллюски, используют кальцит для формирования пластин, из которых состоят их домики, а другие могут использовать кристаллы кальцита для укрепления своих белковых раковин. Большинство моллюсков используют арагонит для строительства своих раковин, хотя некоторые моллюски и улитки могут использовать комбинацию кальцита и арагонита в слоях, а некоторые другие, например устрицы, используют исключительно кальцит.

Зеленые известковые водоросли, такие как Halimeda, также используют арагонит для создания своих листоподобных лопастей, а красные известковые водоросли, обычно называемые коралловыми водорослями, используют кальцит для образования корок и корок на поверхности. И, наконец, широкий спектр планктона, например, фораминиферы и кокколитофориды, также используют арагонит или кальцит для создания своих крошечных раковин.

Карбонатные отложения часто состоят в основном из кусочков разрушенного кораллового скелета, раковин моллюсков и улиток, частей иглокожих, таких как шипы и тесты песчаного доллара и морского ежа, и других вещей, подобных этим кусочкам кальцита, которые попадают в окружающую среду после смерти морских звезд.

Source: reefs.com