Определение временной, или карбонатной жесткости воды в аквариуме.

Что же на самом деле мы измеряем с помощью аквариумного KH-теста и что следует понимать под обозначением КН в аквариумистике?

    О том, что такое "жесткость аквариумной воды, и в чем её выражают" мы уже писали. Но напомню вкратце, что жесткость подразделяют на постоянную и временную. Временная, она же карбонатная, она же устранимая жесткость связана с присутствием в воде наряду с катионами Ca²⁺ и Mg²⁺ гидрокарбонатных, или бикарбонатных анионов (HCO₃^-). При кипячении воды, гидрокарбонатные анионы вступают в реакцию с этими катионами и образуют с ними очень мало растворимые карбонатные соли, которые выпадают в осадок.

Ca²⁺ + 2HCO₃^- = CaCO₃↓ + H₂O + CO₂↑

    Временную жесткость можно устранить кипячением - отсюда и ее название. Аквариумисту невредно знать карбонатную жесткость воды в своих аквариумах. Это важный гидрохимический показатель, который часто приводится в справочной литературе, касающейся условий содержания и нереста рыб. Важно учитывать этот показатель и при выращивании многих аквариумных растений. Большинство аквариумистов уверенно, что с помощью продающихся в магазинах капельных тестов на карбонатную жесткость (КН) они определяют именно её. Но это забавное НЕДОРАЗУМЕНИЕ! Капельные тесты для аквариумистов-любителей, как в прочем и классический метод определения карбонатной жесткости путем титрования пробы воды соляной кислотой, измеряют вовсе не жесткость как таковую, то есть не концентрацию ионов кальция и магния, а щелочность - концентрацию в растворе гидрокарбонатных ионов^*. Гидрокарбонатные ионы могли оказаться в воде не только при растворении солей кальция и магния, поэтому судить о наличии ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ по содержанию гидрокарбонатных ионов можно далеко не всегда. Но, обо всем по порядку… 

    Если строго следовать определению карбонатной жесткости, то ее корректное измерение должно быть основано на кипячении заданного объема воды с последующим взвешиванием образовавшегося осадка (накипи). На практике это трудно выполнимо. Поэтому поступают иначе. Вот как определяют "карбонатную жесткость" с помощью общепринятой лабораторной методики. 
    Определение карбонатной жесткости воды проводится путем её титрования соляной кислотой. Титрование - это добавление в исследуемую пробу раствора реагента, концентрация которого заранее известна. По расходу этого реагента - он взаимодействует с тем веществом, содержание которого хотят определить, рассчитывают концентрацию определяемого вещества. В данном тесте принято пользоваться 0.05М раствором соляной кислоты (о том, что означает сокращение "М" можно прочитать здесь). Кроме этого, понадобится индикатор метиловый оранжевый, который необходим для того, чтобы установить момент окончания титрования по резкому изменению цвета пробы. Для приготовления раствора индикатора небольшое его количество, 0.1 г растворяют в 100 мл дистиллированной воды. Точность здесь не требуется, можно все сделать на глазок.
    Как правило, эти реактивы есть в любой химической лаборатории.

Проведение лабораторного теста на карбонатную жесткость:

    Точно отмеряют 50 мл исследуемой воды. Добавляют несколько капель раствора метилового оранжевого, столько, чтобы окраска пробы получилось такой как в левом стаканчике на приведенном ниже рисунке:

    Далее проводят титрование пробы кислотой до изменения цвета индикатора (правый стаканчик). 

    При титровании в растворе произойдут следующие реакции:

H⁺ + HCO₃^- <–> H₂CO₃ <–> CO₂ + H₂O

    Давайте сравним это и приведенное выше уравнение, которое показывало, что происходит с гидрокарбонатом кальция при кипячении. Как и при кипячении, конечными продуктами этих реакций являются вода и углекислый газ. Только вот кальций никак тут не участвует. Это и понятно, ведь ионы водорода, которые поступают в тестируемую воду при добавлении туда соляной кислоты, вступают в реакцию не с ионами кальция, а именно с гидрокарбонатными ионами. 
    Кислоту удобно набрать в шприц до отмеченного заранее деления и из него дозировано добавлять в раствор. Сначала порции кислоты могут быть относительно большими, но к концу титрования надо быть аккуратным и осторожным, цвет может поменяться буквально от одной капли. Способность тестируемой воды реагировать с ионами водорода по мере добавления кислоты будет постепенно уменьшаться и, наконец, окажется почти совсем исчерпанной - кончатся гидрокарбонатные ионы и последняя капля кислоты резко сместит рН в сторону кислых значений, так как связывать возникающие при ее диссоциации в воде ионы водорода уже будет "некому". При величине рН меньшей чем 4.3 гидрокарбонатных ионов в растворе уже нет (подробнее об этом рассказано в другой статье). Индикатор при этом значении рН изменит цвет раствора с желтого на оранжевый. Тут титрование надо будет прекратить. Титровать надо не торопясь, аккуратно перебалтывая воду в стаканчике. Лучше проделать эту процедуру несколько раз, точно засекая какой объем кислоты был израсходован. Затем вычислить СРЕДНИЙ ОБЪЕМ пошедшей на титрование кислоты. Зная этот объем рассчитывают карбонатную жесткость по формуле:

Жесткость карбонатная_{(мг-экв/л)} = (1000*С_{кислоты}*V_{кислоты}):V_воды

    Где С_{кислоты} - концентрация кислоты в молях (М/л), V_{кислоты} - объем раствора кислоты использованный при титровании (мл), V_воды - объем пробы воды, взятой для титрования (мл).

Если С_{кислоты} = 0.05 М,      а V_воды = 50 мл,      то

Жесткость карбонатная_{(мг-экв/л)} = (1000*0.05*V_{кислоты}):50 = V_{кислоты}

    То есть если вы титровали 50 мл воды 0.05 М соляной кислотой, то в этом случае карбонатная жесткость в мг-экв/л будет численно равна объему кислоты (в мл), израсходованному для титрования. Например, если на титрование ушло 1.5 мл раствора кислоты, то карбонатная жесткость воды равна 1.5 мг-экв/л. Для перевода в градусы KH значение в мг-экв/л надо умножить на 2.804: 1.5*2.804=4.2°KH. 
    Хочу еще раз обратить ваше внимание на то, что описанный здесь метод анализа воды, обычно называют методом определения "карбонатной жесткости". На самом деле этим методом мы определили ЩЕЛОЧНОСТЬ воды, то есть ее способность связывать ионы водорода, которые образуются при диссоциации в воде сильной кислоты. Покупные капельные тесты для аквариумной воды (KH-test, или тест на КН) также основаны на титровании воды кислотой и так же, как и описанный выше лабораторный тест, определяют щелочность. Надо полагать, что указанные в справочной литературе величины КН отражают не содержание в воде бикарбонатов кальция и магния, как об этом принято писать во всех аквариумных книжках, а именно щелочность, то есть любых бикарбонатов и других анионов, способных реагировать с ионами водорода. Хорошо это, или плохо? Скорее - хорошо. Для аквариумиста как раз важно знать насколько вода в его аквариуме способна противостоять закислению (нейтрализовывать поступающие в нее ионы водорода). А сколько осадка такая вода даст на стенках труб в системе отопления, снизив при этом теплоотдачу, волнует его не сильно, если конечно он не теплотехник. Вспомним, что жесткость воды понятие не научное, а чисто утилитарное, но об этом уже было написано ранее. 

    Как мы уже отмечали, гидрокарбонатный ион может поступать в воду не только при растворении карбонатов кальция и магния, но и при растворении иных солей. Всем известная питьевая сода являет собой пример такого соединения: NaHCO₃. Если внести питьевую соду в аквариум, то растворившись она даст ионы натрия и гидрокарбоната (о том, как растворяются соли в воде рассказано в статье о минерализации воды). Гидрокарбонатные ионы, как мы уже знаем, присоединяют к себе ионы водорода, поэтому вода в аквариуме от внесения питьевой соды становится менее кислой или приобретает щелочную реакцию - тут все зависит от дозы. Вот Вам и средство рН+! Питьевой содой и на самом деле пользуются многие аквариумисты. Небольшие ее добавки действительно застрахуют от неожиданных скачков рН. Решить достаточно соды внесено или нет можно измерив щелочность. Зная щелочность, вы можете оценить насколько вода в вашем аквариуме способна противостоять закислению - как говорят оценить БУФЕРНОСТЬ. Если щелочность пресной воды низкая (менее 1 мг-экв/л, или 2.804^о КН), то и буферность ее невелика. Такая вода может резко скиснуть, например при пропуске очередной подмены воды или при выключении аэрации на ночь. Интервал значений щелочности 1.2-1.8 мг-экв/л, или 3 - 5^о КН пригоден для большинства рыб и растений. Буферность воды при этом будет вполне достаточной для поддержания стабильной активной реакции воды - рН. Обычно щелочность аквариумной воды как раз и оказывается в указанном интервале или даже имеет еще большие значения - 2.5 мг-экв/л, или 7^о КН и выше (в этом случае возможны проблемы с выращиванием многих растений и нашествия водорослей). Но в регионах с мягкой слабокислой водой она может быть очень низкой. Так, в большинстве районов Петербурга водопроводная вода имеет щелочность 0.5 мг-экв/л. Поэтому многие любители африканских цихлид, для которых кислая вода - это нож острый, искусственно ее поднимают с помощью питьевой соды. Но! Если вы вносили в аквариум соду, чтобы поднять и стабилизировать рН, то вам не надо удивляться, если "карбонатная жесткость" вдруг превысит общую. Кстати, есть и природные воды с карбонатной жесткостью, превышающей общую, например, вода озера Танганьика. Этот результат может удивить, если не знать, что на самом деле определяет тест на карбонатную жесткость. Если вы вносили в воду аквариума NaHCO₃, то есть не связанные с кальцием и магнием гидрокарбонатные ионы, то, естественно, их будет больше, чем ионов Са²⁺ и Мg²⁺. Вот в этом и состоит суть парадокса, когда вполне логичная формула: 

Общая жесткость = Постоянная жесткость + Временная жесткость 
не выполняется из-за того, что временная больше общей.

    Понимание сути вещей порой позволяет творить чудеса, по крайней мере в глазах человека несведущего. Приносят нам как-то аквариумную воду на анализ. Надо мол разобраться рыбки всё дохнут и дохнут. На вопрос, измеряли ли рН? Нас заверили, что с рН совершенно точно все нормально. Ладно. Начали с измерения общей жесткости, потом карбонатную определили. Получилось, что карбонатная в несколько раз общую превосходит. Тут все уже ясно. Спрашиваем - зачем столько соды в аквариум насыпаете? Очень удивились, как мы про соду узнали. Оказывается добавление соды при каждой подмене воды - это де секретный и особо эффективный метод подсказанный по знакомству одним знатоком. Он, мол, гарантирует неизменно замечательный и оптимальный рН. Даже если чистить аквариумы редко, то вода не закиснет. Закиснуть-то она не закиснет. Но каково значение рН? Вы измеряли? Он же у вас больше 8 будет. А рыбки не только от кислой воды мрут**. Нет отвечают, мы не измеряли. Сделали тест на рН. Он и в самом деле показал значение больше 8!

    А Вы измеряете рН в своем аквариуме, или он у Вас и так"хороший"?

В. Ковалёв, Е. Ковалёва.

^*  Здесь мы несколько упростили ситуацию. Все сказанное верно, если рН аквариумной воды 8.3 и ниже. Если же этот показатель выше значения 8.3, то в воде возможно присутствие не только гидрокарбонатов, но еще и карбонатов и даже гидроксидов щелочных металлов. В этом случае при добавлении кислоты в воду будут последовательно происходить следующие реакции: 
OH^- + H⁺ –> H₂O 
CO₃^2- + H⁺ –> HCO₃^- 
HCO₃^- + H⁺ –> H₂CO₃ 
    Щелочность воды, таким образом, здесь будет обеспечена присутствием в ней гидроксидного, карбонатного и бикарбонатного ионов. 
Назад к тексту

**  О том, почему в аквариуме умирают рыбки написана отдельная статья. А при редких подменах воды в аквариуме накапливаются нитраты и фосфаты, которые при определенных концентрациях становятся токсичными для рыб.
Назад к тексту