Про буферы в аквариуме
Добавлено: 12 май 2024, 14:25
Про буферы в аквариуме.
Хочу вернуться к избитой теме и рассказать о буфере в аквариуме.
Про тот самый буфер, который все боятся опустить.
Давно ходит среди аквариумистов очень страшная страшилка - "нельзя держать буфер очень низким, упадёт pH - потравишь рыбу!"
Хотя не все точно себе представляют, что же такое вообще буфер, его свойства, его назначение. Например, мне всё время твердили, что нельзя держать KH низким, именно потому, что всему живому в аквариуме придёт каюк. И я был очень удивлён, когда измерив в своём аквариуме этот самый KH, обнаружил, что он ну очень низкий - около 1 - а всё живёт и здравствует.
На вопрос почему так, получил примерно такой ответ: "Потому что!"
Потом я обнаружил, что в аквариуме на грунте ADA, pH держится практически постоянным, но при попытке пересчёта содержания СО2 по всем известной таблице через KH и pH, получаются какие-то совсем непонятные трёхзначные значения.
То есть что-то было не так. И использование для расчётов показания KH было неправомерным.
А это значит, что кроме карбонатного буфера был ещё какой-то, который и не давал обваливаться кислотности.
И тогда я начал искать, читать и разбираться. И свои мысли по поводу буферности в аквариуме я хочу изложить в данной статье.
Для начала немного теории.
Буферностью называют способность раствора сохранять величину водородного показателя при добавлении щелочи или кислоты. Бывают растворы со слабой буферностью, когда каждая добавленная капля кислоты или щелочи изменяет рН, бывают сильные буферные растворы, способные поддерживать постоянную величину рН, несмотря на существенные добавки химических веществ. Буферные системы представляют из себя смесь кислоты (донора протонов) и сопряженного с ней основания (акцептора протонов), то есть частиц, различающихся на H+.
В растворе устанавливаются равновесия:
H2O↔ H+ + OH- (автопротолиз воды)
HA ↔ H+ + A- (диссоциация кислоты, заряды поставлены условно, из предположения, что кислота является нейтральной молекулой)
Каждое из этих равновесий характеризуется своей константой:
первое — ионным произведением воды, второе — константой диссоциации кислоты.
При добавлении в систему сильной кислоты, она протонирует основание, входящее в буферную смесь, а добавление сильного основания связывает протоны и смещает второе равновесие в сторону продуктов, при этом в итоге концентрация H+ в растворе меняется незначительно.
В качестве буферных смесей могут быть использованы системы:
Буферные растворы имеют большое значение для протекания реакций в живых организмах. Например, в крови постоянство водородного показателя рН поддерживается тремя независимыми буферными системами: бикарбонатной, фосфатной и белковой. Известно большое число буферных растворов (ацетатно-аммиачный буферный раствор, фосфатный буферный раствор, боратный буферный раствор, формиатный буферный раствор и др.).
Ну с теорией в общих чертах разобрались.
Переходим к аквариумам.
Рассмотрим самый распространённый буфер - карбонатный.
Карбонатная жёсткость — это концентрация в воде анионов гидрокарбоната и карбоната. KH и pH взаимосвязаны между собой, и потому будет логичным рассмотреть их совместно. Связь же этих параметров очень проста. Чем выше содержание гидрокарбоната в воде, то есть значение KH, тем выше, а самое главное, стабильнее, значение pH, так, например, гидрокарбонат кальция является прекрасным буфером воды. Обратите внимание на слово “стабильнее”. В данном контексте оно означает, что вода с высокой, более 12 градусов карбонатной жесткостью, имеет щелочную реакцию. Вода средней жесткости (6-12 градусов) скорее всего, будет близка к нейтральной реакции (pH ~7.0), а вот вода с карбонатной жесткостью менее 6 градусов KH, по большому счету может быть какой угодно, но, скорее всего, будет кислой.
Карбонатная жесткость воды существенно влияет на pH, а значит и на доступность вносимых с жидкими удобрениями микроэлементов (например, железа) и концентрацию CO2 в воде, но в аквариуме буферная емкость далеко не всегда характеризуется только карбонатами (KH). Жесткая вода далеко не всегда имеет высокий KH. Бывает что GH низкий, а KH высокий или наоборот. Слишком высокий pH водопроводной воды (не обязательно из-за KH) не позволяет подачей CO2 понизить pH до оптимальных 6.8-7.2 без превышения предельной концентрации для рыб (>30мг/л).
В общем KH обычно высокий в воде с высокой жесткостью и определяет pH, но далеко не всегда - вы можете иметь KH=0 и высокий pH, или наоборот. В аквариуме с нейтральным pH=7.0 доминируют бикарбонатные ионы [HCO3-] - именно в таком виде растения за редким исключением потребляют CO2. При pH выше 7.0 доминируют карбонаты [CO3-] выпадающие в осадок, что делает углерод недоступным большинству растений. Соответственно чем выше KH воды (и выше pH), тем больше надо подавать СО2 в воду снижая pH и поддерживая гидрокарбонат кальция [H2CO3] в растворенном состоянии - то есть чтобы углерод был доступен для питания растений.
Следует знать, что сам по себе карбонатный буфер KH (карбонаты/бикарбонаты) растениям не нужен вообще. Он не содержит каких-либо жизненно важных веществ для растений, они попросту ничего из него не потребляют. Лишь некоторые виды могут извлекать из бикарбонатов CO2, да и то делают это только при остром недостатке растворенного в воде CO2. Однако растения нуждаются в большом количестве Ca и Mg которые составляют общую жесткость воды GH, поэтому при использовании осмосной воды обязательно нужно восстанавливать общую жесткость воды GH до приемлемого уровня. Однако KH может быть очень низким (~0-1) без какого-либо отрицательного влияния на рост растений.
Но подавая в аквариум CO2, для предотвращения обвала pH нам нужен щелочной буфер воды.
Как тогда возможно обойтись KH=0?
То, что нам не нужен KH, не совсем очевидно, если не знать что такое буферные свойства воды. Ошибка кроется в том, что считают что карбонатная жесткость и щелочность это одно и то же, и жестко связывают высокий GH с высоким KH. Карбонатная жесткость KH действительно является тем, что помогает удерживать pH воды при подаче CO2, но KH это только часть буферной системы воды.
Буферная система воды состоит из:
Это способность воды сопротивляться падению pH при добавлении кислоты. Она образовывается в том числе и карбонатами/бикарбонатами карбонатной жесткости KH, но далеко не только ними: это еще и бораты, фосфаты, гидроксиды. Карбонатная жесткость KH это наличие в воде именно карбонатов/бикарбонатов, и является частью щелочного буфера, присутствующего в воде. Если KH=0, это вовсе не означает что у воды отсутствует щелочной буфер способный удерживать pH при подаче CO2 или поступлении в воду кислот (напр. гуминовых из субстрата). Обычно карбонатная жесткость KH примерно равна значению ее щелочности (alkalinity), но далеко не всегда. При наличии в воде таких веществ как бораты, фосфаты, гидроксиды, щелочной буфер может быть достаточным и при почти полном отсутствии карбонатной жесткости KH, что позволяет иметь KH=0 не опасаясь обвала pH при подаче в аквариум CO2.
Кислотный буфер (acidic)
Также значительно влияет на итоговый pH воды. В аквариуме с растениями образуется большое количество компонентов кислотного буфера воды как гуминовые/уриновые кислоты, которые реагируя с карбонатным буфером, конвертируют бикарбонат в карбоновую кислоту из которой образуется CO2, и pH воды понижается. KH и pH воды может понижаться минуя взаимоотношение КH-CO2, и такое падение pH от воздействия кислотного буфера никак нельзя компенсировать регулировкой подачи CO2. Особенно велик вклад в кислотный буфер, и соответственно, снижение pH воды, грунтов богатых органикой и гуминовыми кислотами, например сойлы от ADA или биогумуса. По этой причине взаимоотношение КH-CO2-pH становится совершенно иным, и метод определения концентрации CO2 по pH и KH становится абсолютно неверным. Метод Krause позволяет определить оптимальный стабильный pH воды в конкретном аквариуме с учетом баланса щелочного и кислотного буфера, а не только карбонатной жесткости KH. Полученный pH будет оптимальным, и что еще важнее наиболее стабильным - резко повысить или понизить его можно будет только очень большими колебаниями кислотного или щелочного буфера и/или подачи CO2. В результате в аквариуме установятся очень стабильные условия благоприятные для роста растений.
При использовании питательных грунтов и даже при KH=0 никакого обвала pH не наблюдается - он стабилизируется на уровне 6.5-6.6. Это объясняется наличием большого кислотного буфера от гуминовых и прочих кислот и щелочного буфера от минералов. Они взаимно уравновешиваются и определяют pH воды.
Таким образом, в аквариуме присутствуют несколько буферных систем и их взаимодействие и позволяет держать стабильный pH.
И из всего вышесказанного следуют как минимум ДВА важных для аквариумиста постулата.
Всем спасибо за терпение.
Ваш Leo Angel
Хочу вернуться к избитой теме и рассказать о буфере в аквариуме.
Про тот самый буфер, который все боятся опустить.
Давно ходит среди аквариумистов очень страшная страшилка - "нельзя держать буфер очень низким, упадёт pH - потравишь рыбу!"
Хотя не все точно себе представляют, что же такое вообще буфер, его свойства, его назначение. Например, мне всё время твердили, что нельзя держать KH низким, именно потому, что всему живому в аквариуме придёт каюк. И я был очень удивлён, когда измерив в своём аквариуме этот самый KH, обнаружил, что он ну очень низкий - около 1 - а всё живёт и здравствует.
На вопрос почему так, получил примерно такой ответ: "Потому что!"
Потом я обнаружил, что в аквариуме на грунте ADA, pH держится практически постоянным, но при попытке пересчёта содержания СО2 по всем известной таблице через KH и pH, получаются какие-то совсем непонятные трёхзначные значения.
То есть что-то было не так. И использование для расчётов показания KH было неправомерным.
А это значит, что кроме карбонатного буфера был ещё какой-то, который и не давал обваливаться кислотности.
И тогда я начал искать, читать и разбираться. И свои мысли по поводу буферности в аквариуме я хочу изложить в данной статье.
Для начала немного теории.
Буферностью называют способность раствора сохранять величину водородного показателя при добавлении щелочи или кислоты. Бывают растворы со слабой буферностью, когда каждая добавленная капля кислоты или щелочи изменяет рН, бывают сильные буферные растворы, способные поддерживать постоянную величину рН, несмотря на существенные добавки химических веществ. Буферные системы представляют из себя смесь кислоты (донора протонов) и сопряженного с ней основания (акцептора протонов), то есть частиц, различающихся на H+.
В растворе устанавливаются равновесия:
H2O↔ H+ + OH- (автопротолиз воды)
HA ↔ H+ + A- (диссоциация кислоты, заряды поставлены условно, из предположения, что кислота является нейтральной молекулой)
Каждое из этих равновесий характеризуется своей константой:
первое — ионным произведением воды, второе — константой диссоциации кислоты.
При добавлении в систему сильной кислоты, она протонирует основание, входящее в буферную смесь, а добавление сильного основания связывает протоны и смещает второе равновесие в сторону продуктов, при этом в итоге концентрация H+ в растворе меняется незначительно.
В качестве буферных смесей могут быть использованы системы:
- слабая кислота и её соль с сильным основанием, например, ацетатный буфер СН3СООН + CH3COONa
- слабое основание и его соль с сильной кислотой, например, аммиачный буфер NH4OH + NH4Cl
- кислая соль и средняя соль слабой кислоты с сильным основанием, например, карбонатный буфер Na2CO3 + NaHCO3
Буферные растворы имеют большое значение для протекания реакций в живых организмах. Например, в крови постоянство водородного показателя рН поддерживается тремя независимыми буферными системами: бикарбонатной, фосфатной и белковой. Известно большое число буферных растворов (ацетатно-аммиачный буферный раствор, фосфатный буферный раствор, боратный буферный раствор, формиатный буферный раствор и др.).
Ну с теорией в общих чертах разобрались.
Переходим к аквариумам.
Рассмотрим самый распространённый буфер - карбонатный.
Карбонатная жёсткость — это концентрация в воде анионов гидрокарбоната и карбоната. KH и pH взаимосвязаны между собой, и потому будет логичным рассмотреть их совместно. Связь же этих параметров очень проста. Чем выше содержание гидрокарбоната в воде, то есть значение KH, тем выше, а самое главное, стабильнее, значение pH, так, например, гидрокарбонат кальция является прекрасным буфером воды. Обратите внимание на слово “стабильнее”. В данном контексте оно означает, что вода с высокой, более 12 градусов карбонатной жесткостью, имеет щелочную реакцию. Вода средней жесткости (6-12 градусов) скорее всего, будет близка к нейтральной реакции (pH ~7.0), а вот вода с карбонатной жесткостью менее 6 градусов KH, по большому счету может быть какой угодно, но, скорее всего, будет кислой.
Карбонатная жесткость воды существенно влияет на pH, а значит и на доступность вносимых с жидкими удобрениями микроэлементов (например, железа) и концентрацию CO2 в воде, но в аквариуме буферная емкость далеко не всегда характеризуется только карбонатами (KH). Жесткая вода далеко не всегда имеет высокий KH. Бывает что GH низкий, а KH высокий или наоборот. Слишком высокий pH водопроводной воды (не обязательно из-за KH) не позволяет подачей CO2 понизить pH до оптимальных 6.8-7.2 без превышения предельной концентрации для рыб (>30мг/л).
В общем KH обычно высокий в воде с высокой жесткостью и определяет pH, но далеко не всегда - вы можете иметь KH=0 и высокий pH, или наоборот. В аквариуме с нейтральным pH=7.0 доминируют бикарбонатные ионы [HCO3-] - именно в таком виде растения за редким исключением потребляют CO2. При pH выше 7.0 доминируют карбонаты [CO3-] выпадающие в осадок, что делает углерод недоступным большинству растений. Соответственно чем выше KH воды (и выше pH), тем больше надо подавать СО2 в воду снижая pH и поддерживая гидрокарбонат кальция [H2CO3] в растворенном состоянии - то есть чтобы углерод был доступен для питания растений.
Следует знать, что сам по себе карбонатный буфер KH (карбонаты/бикарбонаты) растениям не нужен вообще. Он не содержит каких-либо жизненно важных веществ для растений, они попросту ничего из него не потребляют. Лишь некоторые виды могут извлекать из бикарбонатов CO2, да и то делают это только при остром недостатке растворенного в воде CO2. Однако растения нуждаются в большом количестве Ca и Mg которые составляют общую жесткость воды GH, поэтому при использовании осмосной воды обязательно нужно восстанавливать общую жесткость воды GH до приемлемого уровня. Однако KH может быть очень низким (~0-1) без какого-либо отрицательного влияния на рост растений.
Но подавая в аквариум CO2, для предотвращения обвала pH нам нужен щелочной буфер воды.
Как тогда возможно обойтись KH=0?
То, что нам не нужен KH, не совсем очевидно, если не знать что такое буферные свойства воды. Ошибка кроется в том, что считают что карбонатная жесткость и щелочность это одно и то же, и жестко связывают высокий GH с высоким KH. Карбонатная жесткость KH действительно является тем, что помогает удерживать pH воды при подаче CO2, но KH это только часть буферной системы воды.
Буферная система воды состоит из:
- щелочности,
- кислотного буфера.
Это способность воды сопротивляться падению pH при добавлении кислоты. Она образовывается в том числе и карбонатами/бикарбонатами карбонатной жесткости KH, но далеко не только ними: это еще и бораты, фосфаты, гидроксиды. Карбонатная жесткость KH это наличие в воде именно карбонатов/бикарбонатов, и является частью щелочного буфера, присутствующего в воде. Если KH=0, это вовсе не означает что у воды отсутствует щелочной буфер способный удерживать pH при подаче CO2 или поступлении в воду кислот (напр. гуминовых из субстрата). Обычно карбонатная жесткость KH примерно равна значению ее щелочности (alkalinity), но далеко не всегда. При наличии в воде таких веществ как бораты, фосфаты, гидроксиды, щелочной буфер может быть достаточным и при почти полном отсутствии карбонатной жесткости KH, что позволяет иметь KH=0 не опасаясь обвала pH при подаче в аквариум CO2.
Кислотный буфер (acidic)
Также значительно влияет на итоговый pH воды. В аквариуме с растениями образуется большое количество компонентов кислотного буфера воды как гуминовые/уриновые кислоты, которые реагируя с карбонатным буфером, конвертируют бикарбонат в карбоновую кислоту из которой образуется CO2, и pH воды понижается. KH и pH воды может понижаться минуя взаимоотношение КH-CO2, и такое падение pH от воздействия кислотного буфера никак нельзя компенсировать регулировкой подачи CO2. Особенно велик вклад в кислотный буфер, и соответственно, снижение pH воды, грунтов богатых органикой и гуминовыми кислотами, например сойлы от ADA или биогумуса. По этой причине взаимоотношение КH-CO2-pH становится совершенно иным, и метод определения концентрации CO2 по pH и KH становится абсолютно неверным. Метод Krause позволяет определить оптимальный стабильный pH воды в конкретном аквариуме с учетом баланса щелочного и кислотного буфера, а не только карбонатной жесткости KH. Полученный pH будет оптимальным, и что еще важнее наиболее стабильным - резко повысить или понизить его можно будет только очень большими колебаниями кислотного или щелочного буфера и/или подачи CO2. В результате в аквариуме установятся очень стабильные условия благоприятные для роста растений.
При использовании питательных грунтов и даже при KH=0 никакого обвала pH не наблюдается - он стабилизируется на уровне 6.5-6.6. Это объясняется наличием большого кислотного буфера от гуминовых и прочих кислот и щелочного буфера от минералов. Они взаимно уравновешиваются и определяют pH воды.
Таким образом, в аквариуме присутствуют несколько буферных систем и их взаимодействие и позволяет держать стабильный pH.
И из всего вышесказанного следуют как минимум ДВА важных для аквариумиста постулата.
- Вовсе не обязательно держать высоким KH. Даже при KH=0 возможно поддержание pH на приемлемом уровне, так как буферность определяется не только KH.
- Содержание СО2 в аквариумах на питательных грунтах или на биогумусе невозможно корректно подсчитать по таблице связи КH-CO2-pH. И лучше пользоваться ДЧ с реагентом на основе KH=4.
Всем спасибо за терпение.
Ваш Leo Angel