Упрощенное руководство по взаимосвязи между кальцием, щелочностью, магнием и рН
Одними из самых важных химических параметров в рифовом аквариуме являются кальций и щелочность. К сожалению, их взаимосвязь друг с другом часто вызывает недоумение у рифовых аквариумистов. Эти взаимосвязи хорошо понятны и описаны в химических терминах, и я подробно описывал их с помощью химических и математических уравнений во многих предыдущих статьях. Однако эти описания часто оказываются неудовлетворительными для многих аквариумистов, которые не мыслят в таких терминах. Когда к обсуждению добавляются магний и pH, описание взаимосвязей становится еще более сложным, и многие понимают его не так легко.
Не меньшее разочарование вызывает и то, что такие взаимосвязи иногда описываются в слишком упрощенных терминах. К сожалению, неосторожное чрезмерное упрощение может привести к неверным выводам. Например, слишком упрощенная идея о том, что общее количество кальция и щелочи, которое может быть стабильным в морской воде, имеет один верхний предел, может привести к недоразумениям. Например, мне часто задают такие вопросы, как:
“Как высоко я могу поднять щелочность, прежде чем начнется выпадение осадка?” или “Мои тест-наборы говорят, что кальций составляет 700 ppm. Это невозможно, верно?”.
Хуже того, такое непонимание может заставить некоторых аквариумистов отказаться от попыток понять химию, происходящую в их аквариумах, когда такие упрощенные представления приводят к выводам, которые, как они знают на собственном опыте, являются явно ложными.
В этой статье будет описана взаимосвязь между кальцием, щелочностью, магнием и pH простыми, интуитивно понятными способами. Они включают в себя очень простые картинки, которые помогут аквариумистам понять сложные процессы, происходящие в аквариумах, которые, надеюсь, имеют смысл и легко применимы к реальным рифовым аквариумам. Кроме того, хотя эти картинки несколько упрощены, они все равно по своей сути “правильные” и поэтому не должны сбивать аквариумистов с пути непонимания.
Разделы этой статьи лучше всего читать по порядку, поскольку они построены друг на друге. К ним относятся:
Краткое описание биологического осаждения карбоната кальция
Дополнительное чтение
Заключение
Кальций является одним из основных ионов в морской воде. Его концентрация в природной морской воде составляет около 420 ppm, то есть чуть менее 1,2% по весу твердых частиц морской воды. В океане отклонения от этой концентрации чаще всего вызваны изменениями солености, которые приводят к колебаниям содержания кальция так же, как и солености. В морской воде ион кальция несет два положительных заряда и записывается как Ca ++ .
Кальций очень важен в рифовом аквариуме, поскольку многие организмы, включая кораллы и коралловые водоросли, поглощают его, чтобы отложить карбонатный скелет кальция. Если уровень кальция не поддерживается на должном уровне, такие организмы испытывают стресс и могут даже погибнуть. Я рекомендую рифовым аквариумистам поддерживать кальций на уровне 380-450 ppm.
Щелочность – это сложное измерение. Она не является “вещью” в воде. На самом деле это совокупность многих вещей, все из которых вместе обеспечивают определенное химическое свойство. Причина, по которой аквариумисты измеряют щелочность, заключается в том, что в обычной морской воде большая часть состоит из бикарбоната и карбоната. Бикарбонат (HCO3 – ) – это то, что кораллы поглощают и перерабатывают в карбонат (CO3 — ), чтобы построить свой карбонатный скелет из кальция. Следовательно, щелочность является показателем наличия или отсутствия достаточного количества бикарбоната в воде.
Нормальная или высокая щелочность подразумевает наличие достаточного количества бикарбоната, в то время как низкая щелочность означает, что он может быть в дефиците. При отсутствии какого-либо метода пополнения щелочности в рифовом аквариуме вода может быстро истощиться бикарбонатом. Снижение щелочности от нормального до неприемлемого уровня может занять всего день или два в некоторых рифовых аквариумах, хотя в аквариумах с меньшей потребностью в карбонате это может занять больше времени. Когда бикарбонат в воде истощается, кораллы, откладывающие карбонат кальция, могут испытывать стресс и даже погибнуть. Я рекомендую рифовым аквариумистам поддерживать щелочность на уровне 2,5-4 мэкв/л (7-11 dKH, 125-200 ppm эквивалента карбоната кальция).
Поскольку многие кораллы, коралловые водоросли и другие кальцифицирующие организмы нуждаются как в кальции, так и в щелочи (в виде бикарбоната), необходимо постоянно следить за наличием достаточного количества этих элементов. К сожалению, существует естественная тенденция к абиотическому (небиологическому) выпадению нерастворимого карбоната кальция из воды при соединении ионов кальция и карбонат-ионов. Эта тенденция к выпадению осадка играет большую роль в соотношении между кальцием и щелочностью в рифовых аквариумах.
На самом деле морская вода содержит гораздо больше кальция, чем карбоната или бикарбоната. Даже если удалить всю щелочность обычной морской воды путем осаждения карбоната кальция, кальций снизится всего на 50 ppm. По этой причине щелочность в процентном отношении изменяется гораздо быстрее и сильнее, чем кальций, когда обе дозы избыточны или недостаточны по отношению к их потребности.
Растворимость простых твердых веществ
Прежде чем обсуждать растворимость и осаждение такого сложного твердого вещества, как карбонат кальция, давайте сначала разберемся в гораздо более простом случае. Например, ионы натрия и хлорида, соединяясь, образуют твердый хлорид натрия (поваренную соль). Представьте себе небольшой кусок твердого хлорида натрия, помещенный в пресную воду (рис. 1). Он растворяется по мере того, как ионы покидают его поверхность (рис. 2).
Рисунок 1. Диаграмма простого твердого вещества, такого как хлорид натрия, в воде. Ионы натрия (красные) и хлорид-ионы (белые) образуют упорядоченную структуру в твердом теле.
Рисунок 2. Диаграмма того, что происходит, когда простому твердому веществу, такому как хлорид натрия (рис. 1), впервые дают раствориться в воде. Ионы покидают поверхность и переходят в водную фазу (стрелки вверх).
Этот процесс увеличивает количество ионов в воде. Несмотря на то, что твердый кусок медленно исчезает, процессы на молекулярном уровне не являются односторонними. Помимо того, что ионы покидают поверхность и переходят в раствор, другие ионы приходят из раствора и садятся на поверхность твердого тела, становясь его частью (рис. 3).
Рисунок 3. Для любого твердого тела в растворе существуют ионы, которые постоянно приземляются на поверхность и прикрепляются к ней (стрелки вниз), в дополнение к тем, которые продолжают высвобождаться. На рисунке 2 показаны ионы, которые высвобождаются, а на этом рисунке – те, которые приземляются на поверхность.
В конце концов, происходит одно из двух: либо весь твердый хлорид натрия растворяется, оставляя в растворе только ионы, либо достигается предел растворимости, и он больше не растворяется. Что такое предел растворимости? Проще говоря, это точка, в которой скорость, с которой ионы садятся на поверхность хлорида натрия и становятся его частью, точно соответствует скорости, с которой ионы покидают его (рис. 4). Поскольку скорость, с которой ионы садятся на поверхность, зависит от количества ионов в растворе, предел растворимости – это определенная концентрация ионов в растворе, при которой “скорость включения” и “скорость выключения” одинаковы. Кусок соли, сидящий в насыщенном растворе хлорида натрия, может выглядеть так, как будто он просто сидит, но на молекулярном уровне происходит огромная активность, при этом поток ионов, покидающих поверхность, равен потоку ионов, приземляющихся на нее.
Рисунок 4. Твердое тело в растворе, точно насыщенном его ионами, имеет равное количество ионов, приземляющихся на поверхность (стрелки вниз), и тех, которые высвобождаются (стрелки вверх). Со временем может произойти значительная перетасовка ионов между поверхностью и водой, но чистое количество ионов в растворе не меняется.
Перенасыщение простого твердого вещества
В примере, описанном выше, количество ионов натрия и хлорида в растворе по сути одинаково, поскольку все они пришли из твердого хлорида натрия, а само твердое тело стабильно только при равном количестве ионов натрия и хлорида в нем. Но это равенство в растворе не всегда имеет место. Предположим, что мы начинаем с насыщенного раствора хлорида натрия в воде. Затем мы увеличиваем содержание натрия, но не хлорида (мы могли бы увеличить оба, но пока сосредоточимся на одном). Это можно сделать, например, растворив в воде немного нитрата натрия, что увеличит скорость приземления ионов натрия на поверхность хлорида натрия.
Такое увеличение фактически повышает вероятность того, что ион хлорида, приземлившийся на поверхность, также прилипнет к ней. По сути, ионы натрия могут быстро похоронить хлорид-ион, который на короткое время прилипает к поверхности, не давая ему “сбежать” (рис. 5). Таким образом, увеличение количества одного иона в растворяющейся паре может снизить концентрацию другого, загнав его в твердую фазу.
Рисунок 5. Когда в растворе имеется избыток ионов, раствор является пересыщенным. Здесь в растворе имеется избыток ионов натрия (красный цвет), и поскольку они приземляются и прилипают к поверхности, они также задерживают ионы хлорида в твердом теле (синий круг).
В качестве примера, если начать с 10 единиц натрия и 10 единиц хлорида в растворе при насыщении, а затем добавить еще пять единиц натрия (вместе с пятью единицами нитрата), то получится, что 15 единиц натрия и 10 единиц хлорида станут “перенасыщенными”. То есть, в растворе находится больше, чем стабильно. Скорость, с которой натрий и хлорид оседают на поверхность, превышает скорость их растворения. Со временем количество раствора уменьшается, и раствор стабилизируется (то есть возвращается к насыщению) после того, как выпадет около 2,2 единиц хлорида натрия, в результате чего в растворе останется около 12,8 единиц натрия и 7,8 единиц хлорида.
Хотя эти цифры фактически верны, то, как они были рассчитаны, несколько неважно. Для упрощенного понимания важно лишь знать, что при перенасыщении воды по какой-либо причине, вероятно, выпадет некоторое количество осадков, тем самым уменьшая количество воды в растворе до тех пор, пока снова не будет достигнуто насыщение, уравновешивая продолжающееся растворение с выпадением осадков. Важно отметить, что если перенасыщение достигается путем добавления одного из ионов в избытке, то насыщение снова может быть достигнуто только путем уменьшения количества обоих ионов, поскольку осаждение на поверхности не может быть ограничено только ионами натрия. Этот эффект объясняет, как добавление натрия к насыщенному раствору хлорида натрия уменьшает количество присутствующего хлорида.
Растворимость карбоната кальция
Растворимость карбоната кальция аналогична растворимости хлорида натрия, как обсуждалось выше. В частности, растворимость определяется скоростью “включения” и “выключения” ионов кальция и карбоната, и искусственное повышение уровня одного или другого может помочь вытеснить другой на поверхность. Например, именно из-за этого эффекта связаны концентрации кальция и щелочности в морской воде.
Некоторые эффекты растворимости карбоната кальция гораздо сложнее, чем хлорида натрия, и они обсуждаются в последующих разделах. Но прежде чем переходить к более сложным ситуациям, следует рассмотреть некоторые важные моменты этой взаимосвязи. Например:
1. Обычная морская вода (кальций = 420 ppm, pH = 8,2, щелочность = 2,5 мэкв/л (7 dKH)) значительно перенасыщена карбонатом кальция. То есть в воде уже содержится большее количество раствора, чем стабильно в долгосрочной перспективе. Скорость, с которой ионы кальция и карбоната оседают на поверхность чистого карбоната кальция в морской воде, выше, чем скорость, с которой они уходят (магний изменяет это соотношение, о чем подробно говорится в следующем разделе).
2. Если вода содержит избыток кальция и карбоната, то возможно начало осаждения карбоната кальция, и оно может продолжаться до достижения насыщения. Другими словами, если в рифовом аквариуме очень высокий уровень кальция или щелочности, то осаждение карбоната кальция может снизить оба показателя. Опять же, магний имеет тенденцию изменять эту взаимосвязь. Этот эффект можно продемонстрировать, добавив свежий песок карбоната кальция в морскую воду. При осаждении карбоната кальция на свежую поверхность происходит явное падение pH. Также можно было бы обнаружить падение кальция и щелочности, но процесс обычно останавливается (из-за вмешательства магния) до того, как эти параметры упадут настолько, чтобы их можно было обнаружить с помощью любительского набора для тестирования.
3. Чем больше ионов кальция и карбоната, превышающих “насыщение”, тем быстрее скорость осаждения карбоната кальция. Другими словами, чем больше скорость “включения” превышает скорость “выключения”, тем быстрее происходит осаждение.
4. Если вода находится ниже “насыщения” по отношению к кальцию и карбонату, то чистого осаждения не происходит. Другими словами, если в рифовом аквариуме очень низкий уровень кальция или щелочности, то повышение одного или обоих показателей до естественного уровня не приведет к немедленному снижению другого.
Карбонат кальция и pH
Растворимость карбоната кальция сильно зависит от pH. Чем ниже pH, тем более растворим карбонат кальция. Причина этого эффекта вытекает из того же анализа, который мы проводили все это время: “включение” и “выключение” ионов кальция и карбоната. В данном случае эффект pH обусловлен изменением концентрации карбоната в растворе.
Бикарбонат и карбонат – это формы одного и того же иона. При более низком pH преобладает бикарбонатная форма (HCO3 – ) преобладает. При более высоком pH все большее количество карбонатной формы (CO3 […] […] […]
Рисунок 6. Наглядное представление относительного количества бикарбонатных (зеленый) и карбонатных (красный) ионов в растворе в зависимости от pH. При повышении pH большая часть общего количества ионов присутствует в карбонатной форме. Относительные числа на этих рисунках точно отражают соотношение этих двух ионов при различных значениях pH (щелочность также несколько возрастает между этими рисунками, поскольку один карбонатный ион обеспечивает вдвое большую щелочность, чем бикарбонатный ион).
Таким образом, с изменением pH меняется и количество карбонат-иона в растворе. Поскольку именно концентрация карбонат-ионов определяет “скорость включения” карбоната (скорость, с которой карбонат попадает на поверхность), то чем выше pH, тем быстрее карбонат попадает на поверхность. Это означает, в свою очередь, что чем выше pH, тем ниже растворимость карбоната кальция.
Более низкая растворимость означает, что при более высоком pH осаждение карбоната кальция может быть более интенсивным. Другими словами, при повышении pH количество кальция и щелочи, которое можно удержать в растворе без выпадения осадка, уменьшается.
Именно поэтому, например, при повышении pH с помощью известковой воды может быстро выпасть осадок карбоната кальция. Это происходит не обязательно потому, что известковая вода добавила много кальция или щелочи, хотя это может играть определенную роль, но также и потому, что при повышении pH большая часть имеющегося в воде бикарбоната преобразуется в карбонат, поэтому концентрация карбоната резко возрастает.
И наоборот, при снижении pH увеличивается количество кальция и щелочи, которые могут удерживаться в растворе без выпадения осадка. Именно благодаря этому эффекту, например, очень низкий уровень pH с помощью диоксида углерода может растворить карбонат кальция в реакторе карбонат кальция/углекислый газ. При pH 6,5 присутствует примерно в 50 раз меньше карбоната, чем в том же растворе при pH 8,2, поэтому “скорость включения” для карбонат-ионов значительно снижается. Такое снижение “скорости включения” позволяет гораздо большему количеству чистого карбоната кальция раствориться в воде до достижения насыщения, при котором процесс растворения прекращается.
Этот эффект также приводит в замешательство многих аквариумистов. При низком pH (скажем, 7,8) в растворе могут поддерживаться гораздо более высокие концентрации кальция и щелочности, чем при более высоком pH (скажем, 8,5). По этой причине аквариумисты, чьи аквариумы имеют низкий уровень pH, часто утверждают, что у них нет проблем с поддержанием высокого уровня кальция и щелочности, и они редко удаляют карбонат кальция из своих насосов, в то время как другие аквариумисты с гораздо более высоким уровнем pH не понимают, почему они не могут поддерживать такие условия в своем аквариуме, или почему их насосы часто быстро засоряются. Эффект наличия большего количества карбоната при более высоком pH является одной из основных причин такого различия (другая причина заключается в том, что многие кораллы могут фактически требовать больше кальция и щелочи при более высоком pH, поскольку при более высоком pH они могут быстрее кальцифицироваться). В заключение, не думайте, что низкий pH лучше, потому что он позволяет легче поддерживать кальций и щелочность и медленнее засоряет помпы. Он также является более стрессовым для многих кальцифицирующихся кораллов просто потому, что им труднее кальцифицироваться при более низком pH. Это затруднение связано с тем, что при образовании карбоната из бикарбоната им приходится выкачивать протон (H+ ), а чем ниже pH, тем больше H+ уже находится в растворе, и тем труднее выкачивать дополнительный H+ .
Карбонат кальция и щелочность
Растворимость карбоната кальция также сильно зависит от щелочности воды. Чем выше щелочность (при фиксированном pH), тем больше карбоната присутствует в воде (рис. 7). Фактически, количество присутствующего карбоната прямо пропорционально щелочности. Так, при щелочности 5 мэкв/л (14 dKH) карбоната в два раза больше, чем в природной морской воде со щелочностью 2,5 мэкв/л (7 dKH).
Рисунок 7. Наглядное представление бикарбонат (зеленый) и карбонат (красный) ионов в растворе в зависимости от щелочности. При повышении щелочности бикарбонат и карбонат повышаются в равной степени.
Причина изменения растворимости карбоната кальция в зависимости от щелочности такая же, как и в других анализах в этой статье: “включение” и “выключение” ионов кальция и карбоната. В данном случае эффект щелочности обусловлен изменением концентрации карбоната в растворе.
Более низкая растворимость карбоната кальция при более высокой щелочности подразумевает, что осаждение карбоната кальция может быть более обширным. Другими словами, при повышении щелочности количество кальция, которое можно удержать в растворе без выпадения осадка, уменьшается.
Именно поэтому, например, поддержание очень высокой щелочности может привести к чрезмерному осаждению карбоната кальция на таких объектах, как нагреватели и насосы. Аналогично, при снижении щелочности количество кальция, которое можно удержать в растворе без выпадения осадка, увеличивается.
Карбонат кальция и магний
Наконец, мы переходим к роли магния в системе карбоната кальция. Ситуация с магнием заметно сложнее, чем с рН и щелочностью, но мы можем продолжить тот же анализ, чтобы понять ее качественно. Когда твердый карбонат кальция помещают в морскую воду, он не просто подвергается динамике “включения” и “выключения”, как ионы кальция и карбоната, рассмотренные выше. Другие ионы могут попасть в кристаллическую структуру вместо любого из этих ионов. В морской воде ионы магния попадают в кристаллы карбоната кальция вместо ионов кальция. Ионы стронция также могут это делать, но их количество намного меньше, чем у магния (примерно в 600 раз меньше), поэтому вероятность их включения меньше.
На рисунках 8 и 9 показано, как магний в растворе попадает на тонкий слой поверхности карбоната кальция, помещенного в морскую воду, и фактически в него. Даже если карбонат магния сам по себе достаточно растворим, чтобы не выпадать в осадок из обычной морской воды, в смешанной структуре карбоната кальция и магния его растворимость ниже. Поэтому твердый, чистый карбонат кальция (рис. 8) быстро превращается в материал с покрытием из карбоната кальция и магния (рис. 9).
Рисунок 8. Диаграмма твердого, чистого карбоната кальция, впервые помещенного в раствор, содержащий кальций (белый), карбонат (красный) и магний (черный).
Рисунок 9. Диаграмма твердого карбоната кальция в растворе, содержащем кальций (белый), карбонат (красный) и магний (черный). Ионы магния замещают ионы кальция в структуре и изменяют ее химически так, что на поверхности она больше не выглядит как карбонат кальция. Магний проникает на небольшое расстояние в поверхность, но не может проникнуть во всю структуру. Предложения ALDI весьма интересны, и не только как универмага.
Это покрытие имеет несколько очень важных эффектов. Основной эффект заключается в том, что поверхность больше не похожа на карбонат кальция, поэтому ионы кальция и карбоната, которые приземляются на нее, больше не находят поверхность такой привлекательной, как раньше. Ионы магния изменили поверхность таким образом, что она не так прочно удерживает кальций и карбонат, поэтому скорость “отрыва” вновь приземляющихся ионов кальция и карбоната выше (рис. 10). Следовательно, даже если движущая сила для отложения карбоната кальция все еще существует, магний встал на пути и не позволяет этому произойти (или не дает этому произойти так быстро).
Рисунок 10. Ионы кальция и карбоната, попадая на поверхность модифицированного магнием карбоната кальция, уже не находят ее такой же привлекательной, как поверхность чистого карбоната кальция, и не остаются прикрепленными к ней.
То, в какой степени магний попадает на поверхность карбоната кальция, сильно зависит от количества магния в растворе. Чем его больше, тем больше его попадает на поверхность. Если магния меньше нормы, то он может недостаточно попадать на растущие поверхности карбоната кальция, что позволяет осаждению карбоната кальция идти быстрее, чем это было бы возможно, что может привести к увеличению абиотического осаждения карбоната кальция из морской воды на такие объекты, как нагреватели и насосы. Часто неспособность поддерживать адекватный уровень кальция и щелочности, несмотря на обильные добавки, и осаждение значительного количества карбоната кальция на нагревателях и насосах являются признаками недостаточного содержания магния в воде.
В этом разделе обобщены многие идеи, рассмотренные в вышеприведенных разделах, и они собраны вместе для более полного понимания.
1. Нормальная морская вода (кальций = 420 ppm, pH = 8,2, щелочность = 2,5 мэкв/л (7 dKH)) значительно перенасыщена карбонатом кальция. То есть, в растворе уже находится больше ионов (в несколько раз больше, на самом деле), чем стабильно в долгосрочной перспективе. Скорость, с которой ионы кальция и карбоната приземляются на чистую поверхность карбоната кальция в морской воде, выше, чем скорость, с которой они покидают эту поверхность. Это перенасыщение создает потенциал для выпадения осадка карбоната кальция.
2. Потенциальное выпадение осадков, описанное в (1) выше, “задерживается”, иногда на неопределенное время, поскольку магний попадает на растущую кристаллическую структуру карбоната кальция. Магний изменяет поверхность, делая ее больше не похожей на карбонат кальция. Такое “отравление” поверхности замедляет или останавливает осаждение на нее дополнительного кальция и карбоната. Аномально низкие уровни магния будут менее эффективны в предотвращении осаждения карбоната кальция.
3. Чем больше кальция и карбоната в избытке, тем выше потенциальная скорость осаждения карбоната кальция. Другими словами, чем больше скорость “включения” превышает скорость “выключения”, тем быстрее может происходить осаждение. Если потенциал для быстрого выпадения осадка существует из-за очень высокого пересыщения, тем больше вероятность того, что осадок превысит способность магния предотвратить его.
4. Факторами, которые приводят к повышению пересыщения, являются повышенный уровень кальция, щелочности и pH. Влияние pH особенно велико: увеличение pH на 0,3 единицы эквивалентно удвоению кальция или щелочности с точки зрения пересыщения (или с точки зрения движущей силы для выпадения осадка). Именно из-за этого эффекта pH передозировка известковой воды может вызвать выпадение осадка карбоната кальция, и именно поэтому дозирование известковой воды в скиммер или другую замкнутую систему (например, забор насоса) может увеличить выпадение осадка карбоната кальция внутри нее. Также именно поэтому снижение pH воды в реакторе с карбонатом кальция/углекислым газом может привести к растворению карбоната кальция в среде.
5. Если вода ниже “насыщения” по кальцию и карбонату, то чистого осаждения не произойдет. При нормальных условиях морской воды, когда вода фактически перенасыщена карбонатом кальция, осадка все равно выпадает мало, в основном из-за содержания магния в морской воде. Следовательно, если кальций или щелочность в рифовом аквариуме ниже “нормы”, то повышение уровня кальция и щелочности до естественного уровня не приведет к быстрому выпадению осадка карбоната кальция. Другими словами, повышение одного из показателей в таких условиях не вызовет быстрого снижения другого.
6. Когда карбонат кальция выпадает в осадок, он расходует фиксированное соотношение кальция и карбоната (1:1, или около 20 ppm кальция на каждый 1 мэкв/л (2,8 dKH) щелочности). Это соотношение используется кораллами для отложения карбоната кальция. Абиотическое осаждение карбоната кальция, как и формирование кораллового скелета, может включать другие ионы, такие как магний и стронций. Это включение уменьшит вышеуказанное соотношение с 20 ppm кальция на каждый 1 мэкв/л щелочности до немного меньшего значения. В долгосрочной перспективе этот процесс может истощить запасы магния и стронция в аквариуме, если добавлять только кальций и щелочь.
Резюме биологического осаждения карбоната кальция
Эффект кораллов, коралловых водорослей и других организмов, откладывающих карбонат кальция, хотя и не совсем такой же, как абиотическое осаждение карбоната кальция, имеет некоторые сходные черты в отношении взаимосвязи между кальцием, щелочностью, pH и магнием. Вот некоторые из них:
1. Кораллы и кораллиновые водоросли используют кальций и щелочность почти исключительно для отложения карбоната кальция. Из-за этого они используют фиксированное соотношение кальция и щелочности, которое определяется соотношением кальция и карбоната в карбонате кальция (1:1). Чистый расход составляет около 18-20 ppm кальция на каждый 1 мэкв/л (2,8 dKH) щелочности. Причина, по которой количество кальция варьируется, заключается в том, что включение магния вместо кальция немного варьируется от вида к виду.
2. Тот факт, что кораллы и коралловые водоросли используют фиксированное соотношение кальция и щелочности, позволяет разработать добавки, которые точно отражают это соотношение. Использование такой системы добавок позволяет точно подобрать добавку в соответствии с потребностями и не вызывает резких колебаний кальция или щелочности относительно друг друга, если добавки не идеальны. К таким сбалансированным добавкам относятся реакторы карбонат кальция/углекислый газ, известковая вода/кальквассер и двухкомпонентные добавки, среди прочих.
3. В естественных условиях морской воды (кальций = 420 ppm, pH = 8,2, щелочность = 2,5 мэкв/л (7 dKH)) многие кораллы и коралловые водоросли, как считается, ограничены в скорости кальцификации уровнем щелочности воды. Если в воде имеется дополнительный бикарбонат (щелочность), то осаждение карбоната кальция может происходить быстрее. Другими словами, если в рифовом аквариуме повышена щелочность, то отложение карбоната кальция может снизить как кальций, так и щелочность.
4. Если уровень кальция в воде ниже определенного порога (около 360 ppm при нормальной щелочности), то это может ограничить отложение карбоната кальция кораллами. В этой ситуации повышение кальция до естественного уровня или выше со временем снизит щелочность, так как кораллы начнут использовать кальций и щелочность быстрее.
5. Если концентрация кальция или карбоната в рифовом аквариуме слишком низкая, кораллам будет сложнее откладывать свои карбонатные скелеты кальция. Такие условия могут привести к стрессу или даже гибели кораллов. В экстремальных условиях их скелет может даже раствориться. Аквариумисты часто упускают из виду pH как важный фактор снижения концентрации карбонатов. Даже если кальций и щелочность соответствуют нормальным концентрациям морской воды, при значениях pH ниже 7,7 арагонитовые скелеты могут медленно растворяться, поскольку количество карбоната в растворе очень мало.
Для тех, кто хочет получить более строгое и научно подробное обсуждение вопросов, обсуждаемых в этой статье, или для тех, кто хочет проследить за развитием некоторых идей, можно начать с этих статей:
Когда потребность в кальции и щелочности не совсем сбалансирована? http://reefkeeping.com/issues/2004-12/rhf/index.htm
Химические и биохимические механизмы кальцификации у кораллов
Кальций и щелочность тесно связаны в рифовых аквариумах. Эта связь обусловлена в первую очередь тем, как они соединяются, образуя карбонат кальция. Осаждение карбоната кальция может происходить в процессе формирования организмом скелета, раковин и других структур, а также в результате абиотического осаждения на таких объектах, как нагреватели и насосы. При образовании карбоната кальция любым механизмом используется приблизительно фиксированное соотношение кальция и щелочности, что позволяет аквариумистам разрабатывать стратегии, которые добавляют их вместе в таком же соотношении.
Один из способов, с помощью которого аквариумисты могут понять взаимосвязь между кальцием, щелочностью, pH и магнием, заключается в том, как они влияют на то, как кальций и карбонат в растворе собираются вместе и выпадают в осадок в виде карбоната кальция. Повышение уровня кальция или карбоната увеличивает вероятность выпадения осадка карбоната кальция. Это происходит потому, что ионы приземляются на растущую поверхность карбоната кальция и прикрепляются к ней быстрее, чем другие ионы покидают ее. Такое повышение может происходить из очевидных источников, таких как увеличение кальция или щелочности, или из менее очевидных источников, таких как увеличение pH.
Кроме того, магний влияет на то, насколько эффективно кальций и карбонат, которые “пытаются” выпасть в осадок, могут это сделать. Для этого он изменяет растущий твердый карбонат кальция так, что он уже не выглядит таким привлекательным для прилипания к нему дополнительных ионов кальция и карбоната.
Понимание этих механизмов может помочь аквариумистам понять и действовать в многочисленных реальных ситуациях, которые они должны решать соответствующим образом. К ним относятся поддержание кальция и щелочности, предотвращение засорения насосов, снижение вероятности сцепления песчаных слоев, предотвращение массового выпадения карбоната кальция и поддержание процветания кораллов и других кальцифицирующих организмов.
