Что показывают градусы жесткости воды и их перевод друг в друга и в мэкв.   "Градусы бывают разные…" Народная мудрость

В настоящее время жесткость воды надо измерять в мэкв, но по традиции в аквариуме жесткость измеряют в градусах, а в разных странах свои собственные градусы жесткости. Эта статья поможет начинающему аквариумисту переводить одни градусы в другие и понять зачем они нужны и что же все-таки они означают.

Сразу перейти к таблице перевода одних градусов  другие в другие и в мэкв  >>> 

 Жесткость – одна из важнейших характеристик аквариумной воды. Но жесткость бывает общая, временная, постоянная, карбонатная и измеряется она в градусах, которые бывают разными... Хотите заниматься аквариумистикой серьезно? Тогда вам просто необходимо разобраться во всем этом.  

Жесткость воды – это совокупность ее свойств, обусловленных присутствием в ней катионов кальция (Ca²⁺), магния (Mg²⁺), и отчасти двухвалентного железа (Fe²⁺)^*. Различают постоянную, временную и общую жесткость. 

   Общая жесткость определяется суммарным содержанием в воде всех указанных выше катионов. Эти ионы оказываются в воде в результате растворения в ней соответствующих солей. О том, как это происходит, и, кроме того, о принятых в науке способах выражения концентраций ионов рассказано в отдельной статье. О содержании в пресной воде растворенных солей (не только кальция и магния, но и других) рассказано в статье "Состав и свойства аквариумной воды". 
   Постоянная жесткость  не  загрязненных промышленными стоками слабоминерализованных поверхностных природных вод характеризует количество растворенных сульфатов, хлоридов и некоторых других солей кальция и магния. То есть в этих водах наряду с катионами Ca²⁺ и Mg²⁺имеются анионы SO₄^2-, Cl^- и др. При кипячении такой воды концентрации этих катионов и анионов практически не изменяются – отсюда и название "постоянная жесткость". 
    Временная жесткость   (она же карбонатная жесткость) связана с присутствием в воде наряду с катионами Ca²⁺, Mg²⁺ и Fe²⁺ гидрокарбонатных, или бикарбонатных анионов (HCO₃^-). При кипячении воды гидрокарбонаты разлагаются, образуя очень плохо растворимый карбонат кальция, углекислый газ и воду:

Ca²⁺ + 2HCO₃^- = CaCO₃↓ + H₂O + CO₂↑

   Таким образом, временную жесткость можно устранить путем длительного кипячения, поэтому она и "временная".
  С  ионами железа реакция протекает сложнее из-за того, что FeCO₃ неустойчивое в воде химическое соединение. В присутствии кислорода конечным продуктом цепочки реакций оказывается Fe(OH)₃, представляющий собой темно-рыжий осадок. Поэтому, чем больше в воде железа, тем сильнее окраска у накипи, которая осаждается на стенках и дне сосуда при кипячении. 
   Для  измерения  общей и временной жесткости в магазинах продаются отдельные тесты. Кроме того, на Аквариумке описаны методики определения временной и общей жесткости с помощью вполне доступных реактивов, так что определить жесткость в домашних условиях, даже не имея фирменных тестов, вполне реально. О том, как это сделать читайте статьи "Методы определения общей жесткости" и "Определение временной, или карбонатной жесткости". 

   Зачем же используется отдельное понятие "ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ", ведь понятие "МИНЕРАЛИЗАЦИЯ" охватывает присутствие в воде всех солей и вышеозначенных тоже? Разница между этими двумя понятиями есть, причем существенная. К примеру, минерализацию можно поднять, растворив в воде любую соль (другое дело понравится эта соль вашим рыбкам, или нет, подробнее об этом в статье "Состав и свойства аквариумной воды"). Аквариумисты с этой целью чаще всего используют хлорид натрия - NaCl). А вот жесткость, в первую очередь, связана именно с растворенными солями кальция и магния. Вопреки существующему в среде аквариумистов предубеждению, растворение в воде поваренной соли (особенно хорошо очищенной) жесткости не поднимает! Итак, ЖЕСТКОСТЬ И МИНЕРАЛИЗАЦИЯ воды - это взаимосвязанные, но РАЗНЫЕ понятия!!! 
   Жесткость – это особые свойства воды, во многом определяющие её потребительские качества и потому имеющие важное хозяйственное значение. Жесткая вода образует накипь на стенках нагревательных котлов, батареях и пр., чем существенно ухудшает их теплотехнические характеристики. Жесткая вода мало пригодна для стирки. Мало того, что накипь на нагревателях стиральных машин выводит их из строя… впрочем, пересказывать телевизионную рекламу не буду – и так уже всех достала, она еще и моющие свойства мыла ухудшает. Катионы Ca²⁺ и Mg²⁺ реагируют с жирными кислотами мыла, образуя малорастворимые соли, которые создают пленки и осадки, в итоге снижая качество стирки и повышая расход моющего средства. Говоря проще, жесткая вода плохо мылится. Это только теперь, благодаря огромным успехам человечества в области химии, созданы хорошие шампуни, которые могут мылиться в любой воде. А в староглиняные времена в местностях с жесткой водой красавицы, желающие иметь мягкие и шелковистые волосы, для того, чтобы помыть голову, вынуждены были собирать дождевую воду – она мягкая. Неспроста Петр I, требовавший, чтобы на ассамблеи люди приходили в приличном виде, и не терпевший грязных бород, вынужден был построить новую столицу на реке Неве. Здесь вода очень мягкая, прекрасно мылится и можно мыться и бриться всласть! В общем, жесткость понятие скорее техническое и гигиеническое. Люди в разных странах очень давно пришли к необходимости её нормировать, ибо высокая жесткость – это плохо: и трубы забиваются, и постирать толком невозможно. Но стали это делать в каждой стране по-своему, кто как, исходя из традиционных единиц измерения и способов определения ионов кальция и магния, ведь единых стандартизированных международных единиц тогда не было. 
     Известно, что нет ничего хуже вредных привычек – избавиться от них очень трудно! В аквариумной литературе (хотя жесткость по сути своей понятие не из области аквариумистики!) разных стран жесткость до сих пор измеряют в градусах, причем в каждой стране в своих собственных, отличных от всех остальных. Идентичны только русские и немецкие градусы жесткости, правда, давным-давно отменные в обеих этих странах, но упорно существующие в аквариумных книжках. 
   В  России,  начиная  с  1952 года, жесткость воды для технических и гигиенических нужд выражается в миллиэквивалентах, содержащихся в 1 л воды (мэкв, или мг-экв/л). До этого времени жесткость определяли в немецких градусах, в других странах принято обозначать жесткость в УСЛОВНЫХ градусах:

    Чувствуете как все не просто?! Поэтому приведу таблицу, позволяющую сравнивать и переводить одни градусы жесткости в другие:

     Как пользоваться этой таблицей?     Допустим, что из лаборатории вы получили результаты анализа аквариумной воды: "Общая жесткость" = 3.25 мг-экв/л. Вам надо перевести эту величину в немецкие градусы. В ячейке, соответствующей пересечению строки мг-экв/л и столбца немецких градусов находим коэффициент, он же множитель, равный 2.804. Теперь надо умножить 3.25 на 2.804. Произведение этих чисел и будет жесткостью в немецких градусах (dHG). Жесткость вашей воды в dGH=9.110. То есть, сравнительно с мг-экв/л, немецкие градусы – более мелкие единицы измерения. Если же вы счастливый обладатель американского теста, и он выдал результат, к примеру, 14 американских градусов (usH), а вам нужны все те же немецкие, то ответ в dGH будет: 14×0.056=0.780. Но это только в том случае, если мы считаем что американский градус равен 1 мг CaCO₃  в 1 л воды (так пишут во всей русскоязычной литературе), сами же американцы считают, что их градус жесткости в 17.12  раз больше (см. выше), соответственно, и результат измерения в dGH будет равен 13.35. То есть эти американские градусы довольно близки к немецким.

   Пользование разными единицами измерения жесткости без их пересчета (ведь все же они градусы, можно не "заостриться" на том какие они) может привести к существенному искажению данных. Так 14 американских градусов – это всего лишь 0.78 немецких. Поэтому читая сообщения американского коллеги-рыбовода, о том, что его рыбки отнерестились при 14° град. жесткости, не думайте, что им подходит для нереста жесткая вода, эта вода на самом деле очень мягкая. Забавно, что если имелись в виду другие американские градусы, то ошибка будет небольшой, так что и в самом деле, можно не заостряться... В общем, первое что надо сделать – это выяснить в каких единицах представлены результаты. 
  Как пример путаницы другого рода, связанной с пересчетом содержания кальция в молекулах CaO и CaCO₃, приведу фрагмент из очень популярной ныне книги:^**

     Что здесь не так? С Кларком все в порядке – величина 14.3 ppm по сути та же, что приводилась нами ранее на этой страничке, только округленная. А вот 1 немецкий градус какой-то странный: мы знаем, что он равен 10 мг СаО в 1 литре. Авторы книги тоже утверждают, что немецкие градусы показывают содержание СаО, но откуда тогда они взяли цифру 17.9 ppm? Нельзя сказать что эта цифра взята с "потолка", то есть случайная, нет: позанимавшись немного арифметикой я установил, что она соответствует такому количеству СаСО₃, какое содержит столько же Са, сколько его в 10 мг СаО! То есть выражает эквивалентное по кальцию количество СаСО₃. А сколько же Са в СаО? Посчитаем: молекула СаО имеет массу, выраженную в а.е.м. равную 40.08+16=56.08 (сумма атомных масс кальция и кислорода). Каков вклад кальция в эту массу мы знаем, поэтому можно составить такую пропорцию:

     Откуда Х=7.15, таким образом в 1° dGH содержится 7,15 мг кальция. 
  Теперь определим массу молекулы СаСО₃: 40.08+12+3×16(сумма масс кальция, углерода и трех кислородов) = 100.09. Вклад массы кальция составляет 40.08, поэтому можно составить еще одну пропорцию:

   Здесь Y – это та масса СаСО₃ (в мг), в которой кальция содержится 7.15 мг. Y=17.85 (округленно, те самые 17.9). То есть, вопреки сделанному ими самими примечанию, авторы книги представили 1 немецкий градус (10 мг/л СаО) в пересчете на эквивалентное (равноценное) по кальцию количество СаСО₃. Совершили ли они в конечном счете ошибку? Конечно! Ведь они указали что эти 17.9 мг/л относятся к СаО. Сколько же в таком случае было бы здесь кальция?

     Х=12.8 мг. Такое количество кальция к немецкому градусу жесткости не имеет никакого отношения!   Как видно из приведенного примера главный недостаток градусов, как единиц измерения жесткости, в том, что они показывают содержание кальция и магния не НЕПОСРЕДСТВЕННО, а в ПЕРЕСЧЕТЕ на окись или на карбонатную соль. Как уже упоминалось раньше – это УСЛОВНЫЕ единицы. На самом деле окись кальция (СаО) в воде существовать не может^***. А СаСО₃ – мало растворимое в воде вещество: в стандартных условиях при давлении 1 атм. и температуре 25°С растворяется лишь 6.7 мг/л, что может поднять ее жесткость лишь до 0.24 мг-экв/л, или dGH=0.670. Выходит так, что если аквариумист, горя желанием узнать, сколько же в воде его аквариума присутствует ионов кальция и магния, сделает тест (все покупные тесты измеряют жесткость в градусах), то узнает он вовсе не это, а то сколько там БЫЛО БЫ СаО или СаСО₃, если бы массу действительно присутствующих в воде ионов кальция и магния (Ca²⁺ и Mg²⁺) пересчитать на эквивалентное количество этих веществ, которых на самом деле в воде нет! 
   Приведу еще одну табличку, которая показывает сколько же мг/л ионов кальция и магния (тех, которые на самом деле в воде есть, но не виде условных веществ, а в виде реально растворенных ионов) соответствуют различным единицам (градусам) измерения жесткости.

В доступной мне литературе в отношении французских, американских и английских градусов я не встретил упоминаний об эквивалентных для этих градусов количествах MgCO₃. С другой стороны, без магния-то как?! Поэтому я, по аналогии с немецкими градусами, сделал пересчеты с массы СаСО₃ на эквивалентные количества MgCO₃ и привел в таблице все соответствующие магниевой жесткости величины.

   В общем, очень неудобные единицы измерения эти градусы. От того с ними и вечная путаница. Особенно "обнадеживающе" выглядит второе примечание из приведенного выше фрагмента книги (помеченное ^II)), из него следует, что теперь далеко не всегда понятно, какие именно градусы обозначает значок dH, а значит путаница будет расти. И она растёт. Авторы книг по аквариумистике из разных стран ссылаются друг на друга, используя переводы. А некоторые переводчики и редакторы не слишком вникают в суть вопроса. И ведь есть ещё простые типографские опечатки, которые кочуют из издания в издание. Так что подчас не понятно о каких именно градусах на самом деле идёт речь, и те ли это градусы, которые имел в виду автор. В качестве примера приведу табличку из широко известной книги Г. Майланда^**** (стр.52).

Я скопировал эту табличку полностью. В принципе это та же самая таблица, что и приведенная выше таблица 1, только менее точная. В ней почти все правильно, за исключением данных относящихся к неким "Русским градусам" (suH). Судя по крайнему правому столбцу таблицы, они равны 1 мг/л Ca²⁺ и тогда весь этот столбец правильный. Множитель 0.14 в нижней строчке тоже правильный. Это легко проверить: мы знаем (табл. 2), что 1° dGH равноценен 7.15 мг Ca²⁺ на литр. Если 1° suH действительно равен 0.14 dGH, то в 1° suH кальция содержится 7.15×0.14=1 мг/л. Все сошлось, и значит – все это верно. Но тогда последующие цифры в этой строке никакого разумного объяснения не имеют. Перемножение соответствующих градусам жесткости эквивалентных масс кальция на приведенные коэффициенты 1 мг не дает. Я прикидывал и так и этак, что хотел показать автор, или в чем он ошибся – догадаться не сумел (если вы догадаетесь – напишите пожалуйста). Короче говоря, даже если "Русские градусы" равные 1 мг/л кальция есть, то пользоваться этой таблицей для их перевода в другие единицы все равно нельзя!

   В серьёзной науке и технике принято использовать единицы измерения, общие для всех вне зависимости от "страны измерения". Просто для того, чтобы лучше понимать друг друга. 
   Выражение  жесткости  в  миллиграмм  эквивалентах  на литр воды (мг-экв/л, иногда пишут еще миллиэквивалент) куда удобнее, чем градусы. 
   Завершая   этот  материал, упомяну о парадоксальных результатах, которые можно получить измеряя временную (карбонатную) и общую жесткость. А именно: временная жесткость может оказаться больше общей. Тесты можно переделать заново несколько раз, но "странный результат" будет упорно воспроизводиться – значит дело не в случайной ошибке тестирования. О возможности получения таких результатов упоминает в своей книге и Г.Майланд^*****, но вразумительного объяснения не дает (правда может быть это просто перевод книги невразумительный). А между тем этот ларчик открывается очень просто. О том как – можно прочитать в статье про временную жесткость.

     Автор отнюдь не всезнайка, и хотя потратил кучу времени, чтобы разобраться во всех этих градусах, вполне мог где-то допустить ошибки. Если Вы их заметили, пожалуйста напишите нам. Замечания и пожелания будут приняты с благодарностью.

^* О.С.Зайцев, "Исследовательский практикум по общей химии", М., издательство МГУ, 1994 г. 
Назад к тексту

^** М.Бейли, П.Бергесс, "Золотая книга акариумиста", Москва, "Аквариум", 2002 г. (страница 116). 
Назад к тексту 

^*** CaO – негашеная, или жженая известь реагирует с водой с образованием большого количества теплоты: CaO + H₂O = Ca(OH)₂ + 65 кДж. Этот процесс называется гашением извести, а образующийся продукт называется гашеной известью. Ca(OH)₂ мало растворим в воде. В 1 л растворяется при 20°С всего около 1.56 г. Насыщенный раствор гидроксида кальция называется известковой водой и имеет щелочную реакцию. На воздухе известковая вода быстро становится мутной вследствие поглощения ею диоксида углерода (СО₂) и образования нерастворимого карбоната кальция. 
Назад к тексту 

^**** Г.Й.Майланд "Аквариум и его обитатели", БММ АО, Москва 1998 г. 
Назад к тексту

^***** Там же. 
Назад к тексту