И. Г. Хомченко, А. В. Трифонов, Б. Н. Разуваев.   «Современный аквариум и химия».   г. Москва.   «Новая волна».

НУЖНА ЛИ МЯГКАЯ ВОДА?

Всем хорошо известно, что 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. Термины «мягкая» и «жесткая» вода отражают свойство воды, играющее важную роль в аквариумном рыбоводстве. Это жесткость воды.

Жесткость воды обусловлена растворенными в ней солями кальция и магния: чем больше в воде растворенных соединений, тем она жестче. Самая мягкая вода вообще не содержит растворенных солей кальция и магния. В природных водоемах такая вода не встречается, Получить воду, практически не содержащую солей, можно различными способами, например, путем перегонки, или дистилляции. Этот метод основан на следующем: вода при кипячении испаряется, пары улавливаются, конденсируются (т. е. вновь превращаются в жидкость) и, таким образом, образуется вода с пониженным содержанием растворенных веществ. Более подробно о способах удаления растворенных солей из воды будет рассказано в главе, которая посвящена подготовке воды для аквариума.

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.

Для жесткой воды обычно различают временную, или карбонатную, и постоянную, или некарбонатную, жесткость. Первая обусловлена присутствием в воде Ca(HCO₃)₂ и Mg(HCO₃)₂. Временной жесткость называется потому, что при кипячении гидрокарбонаты разлагаются, и образующиеся карбонаты кальция и магния в значительном количестве выпадают в осадок:

Ca(HCO₃)₂  ―^t→   CaCO₃↓ + CO₂ + H₂O

Mg{HCO₃)₂  ―^t→  CaCO₃↓ + CO₂ + H₂O

Выпадающий осадок образует так называемую накипь на стенках посуды, в которой кипятится вода. За счет кипячения и удаления гидрокарбонатов из воды она умягчается.

Постоянная жесткость обусловлена присутствием в воде сульфатов, хлоридов и некоторых других солей кальция и магния, которые не удаляются при кипячении. Сумма временной и постоянной жесткости дает общую жесткость воды.

Для количественной характеристики жесткости можно использовать значение концентрации ионов Са²⁺ и Mg²⁺ в воде в мг/л, однако в литературе по аквариумистике наибольшее распространение получили другие единицы жесткости.

В России и странах СНГ для выражения жесткости воды используются миллиграмм-эквиваленты (миллиэквиваленты) ионов кальция и магния, содержащиеся в 1л воды*. Одному миллиграмм-эквиваленту в литре (мг-экв/л) соответствует содержание в воде 20,04 мг/л Ca²⁺ или 12,16 мг/л Mg²⁺, т. е. жесткость в мг-экв/л (Ж) может быть рассчитана по формуле:

где x(Ca²⁺) и x(Mg²⁺) — концентрация в мг/л ионов кальция и магния соответственно.

* В связи с принятием международной системы единиц СИ понятия «грамм-эквивалент» и «миллиграмм-эквивалент» были отменены. Однако, поскольку они все еще часто встречаются в литературе по аквариумистике и гидрохимии, мы сочли возможным использовать их в данной книге.

В аквариумной практике обычно выражают жесткость в так называемых немецких градусах. Один градус жесткости по этой шкале соответствует содержанию в 100 000 г воды 1 г оксида кальция CaO или 0,719 г оксида магния MgO. Для выражения жесткости в немецких градусах надо пересчитывать концентрацию ионов Са²⁺ и Mg²⁺ на концентрацию CaO и MgO по отношению молярных масс. Проведя такой расчет, легко получить, что 1 градус жесткости соответствует содержанию в воде 7,15 мг/л ионов Са²⁺ или 4,34 мг/л ионов Mg²⁺. Жесткость, выраженную в градусах, в дальнейшем мы будем обозначать символом dGH (в литературе встречаются различные обозначения: dH, GH, dGH и др.). В соответствии с вышеизложенным для расчета жесткости в градусах можно использовать формулу:

Как уже отмечалось раньше, общая жесткость dGH складывается из временной жесткости (обозначение dKH) и постоянной жесткости (dNKH),поэтому можно записать:

dGH = dKH + dNKH.

(11)

Если известна жесткость в мг-экв/л (Ж), то, используя переходной коэффициент, можно перейти к жесткости в градусах (dGH) и наоборот. Формулы для перерасчета выглядят так:

Кроме единиц жесткости, о которых мы рассказали, существуют также французские, английские и американские градусы жесткости, которые встречаются в литературе, особенно в той, которая издается в этих странах. Французский градус соответствует содержанию 10 мг карбоната кальция CaCO₃ в 1 л воды; английский — 1 грана (0,06482 г) CaCO₃ в 1 галлоне (4,546 л) воды; американский градус — 1 мг CaCO₃ в 1 л воды. Перейти от этих способов выражения жесткости воды к Ж (мг-экв/л) или к dGH можно, используя переходные коэффициенты, приведенные в табл. 7. Надо заметить, что существование различных единиц жесткости часто приводит к ошибкам в литературе и в любительских рекомендациях. Поэтому аквариумистам надо внимательно следить за тем, в каких единицах выражена жесткость воды.

Таблица 7   Соотношения между различными способами выражения жесткости воды

Приведем пример расчета жесткости воды по приведенным выше формулам.

Пример. В 2 л воды растворено 50,1 мг ионов кальция и 60,8 мг ионов магния. Определите жесткость воды в мг-экв/л и в немецких градусах.

Решение. Вначале рассчитаем массовую концентрацию в мг/л (формула 3) ионов кальция и магния:

Используя формулу (9), рассчитываем жесткость воды в мг-экв/л;

По формуле (10) можно рассчитать жесткость, выраженную в немецких градусах:

Для расчета жесткости dGH можно было величину Ж умножить на переходный коэффициент (формула 12):

dGH = 2,804 • Ж ;            dGH = 2,804 • 3,75 = 10,5.

Аквариумную воду в зависимости от ее жесткости принято классифицировать следующим образом: очень мягкая — жесткость до 5°dGH, мягкая — 5—10°, средней жесткости (умеренно жесткая) — 10—20°, жесткая — 20—30° и очень жесткая — свыше 30°.

Какая жесткость воды в аквариуме устраивает ее обитателей? Для ответа на этот вопрос вновь обратимся к гидрохимическому режиму природных водоемов — в большинстве случаев желательно создать рыбам такие условия, в которых они или их предки жили в природе. В табл. 8 приведены сведения о жесткости воды в некоторых природных водоемах, в которых живут аквариумные рыбы.

Как видно из таблицы, жесткость в природной среде обитания аквариумных рыб изменяется в широких пределах: значение dGH меняется от 0,2° до 20° и даже больше. Большинство рыб не могут нормально существовать и развиваться в совершенно мягкой воде, т. к. им необходим кальций. При недостатке этого элемента в воде замедляется рост рыб, возникают уродства скелета у мальков. Растения плохо развиваются при недостатке как кальция, так и магния.

Размножение некоторых рыб (неоны, пециллобриконы и др.) рекомендуется проводить в очень мягкой воде. В природных водоемах эти рыбы нерестятся в период дождей, когда речная вода значительно разбавляется водой, которая практически не содержит растворенных солей и имеет слегка кислую реакцию. Однако все сказанное относится, главным образом, к карбонатной жесткости (dKH). Некарбонатная жесткость (dNKH) может оставаться достаточно высокой (несколько градусов) даже при разведении неонов и других рыб.

Для успешного содержания в аквариуме многих видов рыб необходима жесткая вода (популярные рыбы — живородящие, цихлиды из африканских озер Малавии Танганьика).

Таким образом, можно заключить, что в большинстве случаев рыбам подходит вода, содержащая определенное количество солей кальция и магния (dGH от 5 до 20°), а очень мягкая вода может использоваться, лишь как стимул к нересту для некоторых видов рыб.

Таблица 8    Жесткость воды в некоторых природных водоемах

Подходит ли вода из наших природных водоемов для содержания тропических аквариумных рыб и растений? В табл. 9 приведена жесткость воды в некоторых водоемах СНГ, измеренная в летний период. 

Во всех водоемах, где проводились исследования, преобладает карбонатная жесткость, поэтому при использовании воды из некоторых водоемов возникает необходимость увеличения постоянной жесткости за счет растворения солей кальция и магния (CaSO₄, СаС1₂, MgSO₄, MgCl₂. В Неве вода очень мягкая, для содержания большинства рыб необходимо поднять как временную, так и постоянную жесткость.

Таблица 9    Жесткость воды в некоторых водоемах СНГ

Жесткость воды в водоемах нашей страны имеет значительные сезонные колебания. На рис. 8 показаны сезонные колебания значения dGH для двух рек СНГ. Обычно максимальное значение жесткости воды можно наблюдать в период зимней межени (январь — март). Во время весеннего паводка наблюдается резкое падение dGH. Летом и осенью жесткость воды постоянно возрастает и достигает максимума к зиме. Сезонные колебания жесткости воды следует учитывать при периодической подмене воды в аквариуме. Особенно осторожным аквариумисту надо быть в период весеннего паводка. В это время следует отказаться от замены большого количества воды. Кроме резкого изменения жесткости, существует опасность внесения в аквариум нежелательных веществ, которые попадают в водоемы с талыми водами.

 

 

Рис. 8.      Сезонное изменение жесткости в водоемах России: 1 — р. Волга (г. Ржев),  2 — р. Дон (cm-ца Раздольская)

 

 В процессе эксплуатации аквариума жесткость воды в нем несколько изменяется в ту или другую сторону. Например, если грунт содержит карбонатные породы (известняк, мел, мрамор, доломит и др.), может происходить их медленное растворение. При отсутствии в воде углекислого газа это растворение протекает малозаметно. Однако если в аквариум при помощи компрессора попадает воздух из жилого помещения с достаточно высоким содержанием CO₂, то процесс ускоряется за счет протекания реакции:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca(HCO₃)₂

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 рис. 9 показана зависимость значения водородного показателя воды от ее жесткости.

 

Рис. 9. Связь между жесткостью воды и ее кислотностью

 

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.

Таблица 10   Представители пресноводной гидрофауны и гидрофлоры, подходящие для различных видов аквариумной воды

Например, нельзя совместить в одном аквариуме, два вида рыб из семейства цихлид: дискуса (Symphysodon diskus) из южноамериканской реки Риу-Негру, которому нужна мягкая и кислая вода, и юлидохромиса орнатуса (Julidochromis ornatus) из африканского озера Танганьика. Этой рыбе подходит щелочная жесткая вода. В табл. 10 показано, какие водные организмы могут содержаться в аквариуме каждого вида.

Следует отметить, что некоторые гидробионты легко адаптируются к условиям содержания, могут развиваться в воде различного гидрохимического состава. Например, людвигия (Ludvigia repens) хорошо растет и развивается как в кислой мягкой, так и в жесткой щелочной воде. К воде различной кислотности и жесткости легко адаптируются сомики из рода коридорас, например, крапчатый сомик (Corydoras paleatus),