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

[smirnoff_No21]

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.

Да, это путаница. Большая путаница. Потому, что никакой тест, ни нормальный лабораторный метод титрования не покажет никогда отдельно "постоянную" жёсткость. Ведь "постоянная" или "временная" жёсткость - это определяется анионами. А титруем мы - катионы кальция и магния, т.е. именно полную жёсткость, сумму постоянной и временной.

[КСергей]

По этому за рубежом теперь принято измерять электропроводность воды.

[Кокан]

Не совсем по этому, это несколько другой показатель, дающий иные понятия о среде, чем жёсткость.