Жесткость воды

[Павлик Морозов]

Жесткость воды – параметр.

(Вместо предисловие: Если в воду поместить кусочек мыла и размешать, то образуется пена. В воде из различных источников этот процесс происходит по-разному. Иногда образование пены происходит очень быстро, она обильна и удерживается долго. Такая вода называется мягкой. Бывает, что пена образуется с большим трудом и только при внесении большого количества мыла. Это происходит в так называемой жесткой воде.)

Жесткость воды – параметр, определяемый наличием растворенных в ней минералов и во многом определяет остальные свойства воды.
Какие же вещества обусловливают жесткость воды? Это карбонаты — соли кальция и магния: CaCO3 и CaCO3 гидрокарбонаты Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2, сульфаты CaSO4 и MgSO4, хлориды CaCl2 и MgCl2. Набор веществ, содержащихся в воде, может быть самым различным, что обусловлено геологическими особенностями той местности, где расположен водоем.
Карбонаты кальция и магния относятся к веществам, которые очень мало растворяются в воде: при температуре 20°C в 1 л может раствориться 7 мг CaCO3 и 270 мг CaCO3. Однако этого достаточно, чтобы сделать воду жесткой.
Растворимость карбонатов кальция и магния существенно возрастает в присутствии углекислого газа, а этот газ, как известно, содержится в воздухе, который обычно пропускают через аквариум; его выделяют при дыхании рыбы и другие животные. В присутствии CO2 протекают реакции:

CaCO3 + СO2 + H2O = Ca(HCO3)2
MgСO3 + СO2 + H2O = Mg(HCO3)2

В результате образуются хорошо растворимые в воде гидрокарбонаты кальция и магния. Как правило, именно эти соли, а не карбонаты, содержатся в жесткой воде.

Жесткость воды делится на две части:
постоянную (GH, general hardness) - обусловлена присутствием в воде сульфатов, хлоридов и некоторых других солей кальция и магния, которые не удаляются при кипячении;
переменную (карбонатную, KH, carbonate hardness) - обусловлена присутствием в воде Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2.
Сумма временной и постоянной жесткости дает общую жесткость воды.
Деление жесткости на две эти части определяется тем, какие минеральные соли остаются в воде после кипячения воды (постоянная жесткость). Соли, определяющие карбонатную жесткость - выпадают в осадок
Ca(HCO3)2 ―t→ CaCO3↓ + CO2 + H2O
Mg{HCO3)2 ―t→ CaCO3↓ + CO2 + H2O

Углекислый газ испаряется при кипении, и равновесие сдвигается вправо. При этом плохо растворимый карбонат кальция выпадает в осадок, образуя белые налеты на стенках чайника. Аналогично образуются и налеты на стенках аквариума, при испарении воды.
Постоянная жесткость (GH) определяется концентрацией ионов Ca++ и Mg++ в воде. Измеряется постоянная жесткость в градусах жесткости (dGH, dKH) или в mg/l CaCO3: 1 градус жесткости равен 17.8 mg/l CaCO3.
Эта жесткость, наиболее важна, поскольку она определяет - насколько мягкая или жесткая та или иная вода. Она определяет степень пригодности воды для рыб, растений, развития икры и т.д.

0-4 dGH очень мягкая вода
4-8 dGH мягкая вода
8-12 dGH средняя жесткость
12-18 dGH умеренная жесткость
18-30 dGH жесткая вода

Карбонатная жесткость определяется концентрацией карбонатов CO3-и бикарбонатов HCO3- в воде (в основном, в аквариумной воде присутствуют бикарбонаты, поскольку карбонаты в значительных концентрациях есть при высокой рН>9). Она характеризует буферную способность воды противостоять изменению рН - со временем значение рН из-за наличия органики в воде падает. В аквариуме этот термин и понятие буферной способности (щелочность, alkalinity) используются взаимозаменяемо, поскольку все аквариумные тесты измерения КН основаны на методе титрирования, т.е. изменении цвета раствора при добавлении в него определенного количества кислоты, которая связывает все свободные буферные ионы. Количество капель кислоты и определяет значение КН. Поскольку кислота не "различает" какие ионы (карбонаты, бикарбонаты и т.д.) участвуют в нейтрализации, то узнать в чистом виде значение КН невозможно. Да и не нужно это, поскольку интересует всегда именно эта способность воды. Обычно, при отсутствии фосфатов, солей бора в больших концентрациях, щелочность практически полностью определяется КН.
Другая путаница происходит из-за того, что часто говорят о полной жесткости, равной сумме постоянной и переменной (карбонатной), как о постоянной, подразумевая под GH - полную жесткость. Однако, аквариумные тесты меряют постоянную жесткость отдельно, обозначая ее как GH.
Жесткость воды увеличивается и за счет испарения воды. При этом растворенные соли остаются в аквариуме и их концентрация увеличивается (в некоторых руководствах рекомендуют доливать в аквариум дистиллированную воду взамен испарившейся, чтобы не возрастала жесткость, однако, это не всегда осуществимо).
Жесткость воды несколько уменьшается вследствие выпадения в осадок карбонатов кальция и магния при подкисления воды, а также в результате поглощения ионов кальция и магния рыбами и некоторыми аквариумными растениями (особенно потамогетонами и эхинодорусами).
Изменение жесткости воды в аквариуме происходит достаточно медленно, если регулярно проводить подмену воды (25—30% еженедельно), то резких колебаний жесткости можно избежать.
Если нужно увеличить карбонатную жесткость воды, в аквариум следует поместить известняк и создать в воде достаточную концентрацию CO2 (например, установить продувку воды воздухом). Для увеличения не карбонатной жесткости обычно добавляют раствор хлорида кальция CaCl2 и сульфата магния MgSO4. Уменьшить жесткость воды несколько сложнее. Здесь наиболее простой путь — добавление дистиллированной, смягченной (иногда — дождевой) воды.

Жесткость воды связана с ее кислотностью. Чем более жесткой является вода, тем она более щелочная. На рисунке показана зависимость значения водородного показателя воды от ее жесткости.

Связь между жесткостью воды и pH можно легко объяснить. Как мы уже видели раньше, в жесткой воде преобладает временная или карбонатная жесткость, т. е. в ней содержатся соли Ca(HCO3)2 и Mg(HCO3)2. Эти соли в водном растворе подвергаются гидролизу — взаимодействуют с водой. Схему гидролиза Ca(HCO3)2 можно записать следующим образом:

диссоциация Ca(HCO3)2 = Са2+ + 2HCO3‾
гидролиз HCO3‾ + H2O = H2СO3 + ОН‾

Из уравнения гидролиза видно, что в результате устанавливающегося равновесия в воде накапливаются гидроксид-ионы ОН‾, которые обусловливают щелочную реакцию среды.
Все вышесказанное не означает однако, что нельзя получить жесткую воду с кислой реакцией. Такая вода должна содержать хлориды и сульфаты кальция и магния, т. е. в ней преобладает постоянная (некарбонатная) жесткость. Такую среду можно получить, если добавить в мягкую воду соответствующие соли или подкислить обычную воду с карбонатной жесткостью соляной или серной кислотой. При подкислении будет происходить разложение гидрокарбонатов, например:

Mg(HCO3)2 + 2HCl = MgCl2 + CO2 + H2O

Мягкая вода обычно имеет значение pH меньше 7. Кислые свойства мягкой воды связаны, главным образом, с растворением CO2 и образованием угольной кислоты, о чем мы уже говорили в предыдущем разделе.

В зависимости от жесткости и связанной с ней кислотности можно различить три основные разновидности аквариумной воды, пригодной для содержания определенных представителей пресноводной гидрофауны и гидрофлоры;
1) кислая и мягкая вода;
2) вода с нейтральной реакцией и средней жесткостью;
3) щелочная и жесткая вода;
Если аквариумист создаст все три вида аквариумов, то практически он может содержать всех представителей пресноводных тропических рыб и растений. Если этого сделать не удастся, то выбор рыб и растений будет ограничен.

Увеличение жесткости - меняйте их значения плавно, иначе можно вызвать стресс у рыб и другие проблемы:
• KH - одна чайная ложка бикарбоната натрия (пищевой соды) на 50 литров воды увеличит KH примерно на 4 градуса dKH,
• GH - две чайные ложки карбоната кальция на 50 литров воды увеличат одновременно KH и GH на 4 градуса. Поэтому варьируя компоненты, можно подобрать необходимые значения жесткостей. Можно также добавить сульфат Ca/Mg, что не вызовет увеличения КН, но приведет к возрастанию концентрации ионов сульфата, что не очень хорошо.
Уменьшение жесткости - гораздо более сложная проблема:
• Использование дистиллированной воды, или дождевой воды, если вы уверены в ее чистоте. Никогда не используйте конденсат из кондиционера - в нем много ядовитых солей и окислов металлов, в блоке конденсации с удовольствием селятся всякие бактерии.
• Фильтрование воды через специальные фильтры - осмотический фильтр и деионизация
• Фильтрование воды через различные смолы, которые есть в продаже. Недостатком такого способа, является то, что обычно используется только одна смола (удаляются анионы или катионы) и заменяются они не на ионы водорода H+ и ионы OH- , а на другие ионы - например ионы Ca, Mg на натрий, что не очень хорошо для растений. Поэтому не рекомендуется использовать бытовые составы для смягчения воды (например, для бассейна).
• Самый простой и удобный способ - фильтрование воды через торф, Для этого добавляется торф в фильтр (внешний или внутренний). Другим способом является добавление торфа (например, насыпанного в старом носке) в емкость, где отстаивается вода. Для некоторых рыб. требующих очень мягкой воды для нереста, можно использовать торф в качестве грунта. Недостатком торфа является то, что он окрашивает воду в желтоватый оттенок (что может быть удалено при фильтрации через активированный уголь). К тому же торф лучше прокипятить.
• Для умягчения кислой воды используют питьевую соду, разлагающуюся на щелочь и углекислоту. Небольшие порции соды, предварительно взвешенные, постепенно разводят до получения намеченной рН в 1 л воды, взятой из аквариума. Затем, исходя из количества воды во всем аквариуме, определяют количество соды, необходимое для достижения в нем нужной рН. Например, если для 1 л пробы израсходовано 0, 5 г соды, то для такой же рН в 30-литровом аквариуме потребуется растворить 15 г соды, т. е. 0, 5Х30.
Воду с недостаточной кислотностью подкисляют по-разному. Если требуется незначительное подкисление, используют отстоянную дистиллированную воду, которая одновременно служит и умягчителем воды. Для более сильного подкисления применяют верховой торф. Взятые с возвышенных мест торфяника 5 г торфа, помещенные в эмалированную посуду и залитые литром дистиллированной воды, кипятят в течение 20—30 мин. Полученная жидкость должна быть коричневого цвета. Дважды отфильтрованная, она вносится небольшими порциями в аквариум до тех пор, пока вода примет янтарный цвет. С большой точностью, согласовывая рН с требованиями той или иной рыбы, надо умягчать воду нерестилищ.


Измерение Жесткости воды:
1. Большинство тестов для воды, которые необходимы и в обычной, и в высшей аквариумистике, легко может провести даже начинающий. Для этого не нужно никаких лабораторных приборов. Фирма "Tetra", ведущий поставщик соответствующих реактивов, предлагает набор для анализа, с чьей помощью можно установить жесткость воды (в dН), карбонатную жесткость (в dКН) и показатель рН.

2. Лабораторный метод.

Условные обозначения: а — мерный цилиндр на 1000 мл, б — мерный цилиндр на 50 мл, в — мерная пипетка на 5 мл, г — воронка, д — бюретка на 10 мл, е — резиновая трубка, ж — запирающий клапан, з — пипетка, и — место ущемления пальцами резиновой трубки, к — мениск, л — глазная палочка, м — коническая колба, н — положение мерной пипетки при введении в колбу раствора.
В оборудование входят два мерных цилиндра — один на 50 мл, другой на 1000 мл, коническая колба на 200-250 мл, мерная (с делениями) пипетка на 5 мл, бюретка на 10 мл, снабженная приспособлением для сливания раствора по каплям, две небольшие стеклянные воронки, которые должны вставляться в бюретку и пипетку, стеклянная глазная палочка. Это оборудование можно приобрести в магазинах учебных наглядных пособий, фотопринадлежностей или юного химика, глазную палочку — в аптеке.
Приспособление для сливания раствора по каплям (из бюретки) состоит из резиновой трубочки (длина 5 см, внутренний диаметр примерно 5 мм). Внутрь средней части трубочки помещают шарик от подшипника, точно соответствующий ее диаметру: это запирающий клапан (рис. 54, ж).
Реактивами служат: 1) раствор трилона Б 0.05Н; 2) буферный раствор; 3) индикатор — сухая смесь. Указанные реактивы приобретают в магазинах «Химреактив» полными наборами. При отсутствии такой возможности их можно приготовить самим. Для приготовления раствора трилона Б берут 9, 3 г трилона, растворяют его в небольшом количестве дистиллированной воды и доводят объем до 1000 мл в мерном цилиндре. Для получения буферного раствора растворяют 10 г хлорида аммония (нашатырь) в небольшом количестве дистиллированной воды, куда добавляют 50 мл 25%-ного раствора аммиака, и доводят объем до 500 мл в мерном цилиндре. Хранится раствор в посуде с притертой пробкой. Для получения индикатора (сухая смесь) берется 0, 25 г хромогена черного, который смешивают с 50 г хлористого натрия (столовая соль «Экстра») и хорошо растирают в фарфоровой посуде.
Ход анализа жесткости воды такой:
1. В коническую колбу вливают 50 мл аквариумной воды, отмеряя ее мерным цилиндром.
2. К воде добавляют мерной пипеткой 5 мл буферного раствора, залитого в пипетку при помощи воронки. При этом необходимо принимать во внимание вогнутый мениск жидкости (рис. 54, к). Чтобы в коническую колбу попало точно 5 мл буферного раствора, носик мерной пипетки прикладывают к внутренней стороне горловины колбы. Оставшуюся часть раствора из пипетки удаляют.
3. В коническую колбу при постоянном помешивании добавляют с помощью стеклянной палочки индикатор — до появления густого вишнево-красного цвета.
4. Титрование, т. е. внесение в анализируемый раствор трилона Б, производится с применением бюретки: в нее при помощи воронки набирают раствор трилона Б до нулевой отметки, также принимая во внимание мениск жидкости. Трилон вводят в коническую колбу при постоянном помешивании по каплям. Достигается это периодическим (по мере надобности) сдавливанием резиновой трубочки в том месте, где помещен шарик (рис. 54, и). По мере постепенного введения в колбу цвет раствора меняется: из вишнево-красного переходит в сиреневый и, наконец, становится сине-голубым. Это значит, что анализ окончен.
Отфиксировав, сколько миллилитров трилона пошло для получения сине-голубого цвета, можно установить величину общей жесткости воды в аквариуме. Так, если трилона израсходовано 3, 5 мл, то надо 3, 5Х2, 8=9, 8° жесткости; если трилона израсходовано 4, 2 мл, то надо 4, 2Х2, 8=11, 46° жесткости. Величина 2, 8 постоянна при любом расходе трилона. Смотря по необходимости, жесткость воды в аквариуме можнo регулировать. Для повышения жесткости, с чем приходится сталкиваться редко, употребляют кусочки известняка, мела, мрамора, старой извести, которые в небольших количествах добавляют в грунт. Повысить жесткость можно и кипячением воды в эмалированной посуде в течение часа. Из остуженной воды осторожно сверху удаляют сифоном 2/3 от общего объема. Оставшуюся нижнюю треть воды, в которой сконцентрировалось много солей кальция, постепенно, но с обязательным промером жесткости, вливают в аквариум.

Первоначальные источники:
http://our-aquarium.narod.ru/aquarium/voda/voda.htm
http://coralsea.narod.ru/chemistry/a...mistry/dGH.htm опираясь на данные из книги И. Г. Хомченко, А. В. Трифонов, Б. Н. Разуваев. «Современный аквариум и химия». г. Москва. «Новая волна».
http://ukrop.info/index.htm?file=htt.../elefant/1.htm
http://aquafish-books.narod.ru/medv/3.htm
http://dmitry-kr.boom.ru/myland/05.htm#03