Метан (CH4) (болотный газ).
Метан (а болотным газом его называют, потому что много метана на болотах) образуется около дна, в грунте, где разлагаются отмершие части растений, погибшие организмы. Метан вносит свою лепту в отравление аквариума.
Гидрохимический состав воды
Именно потому, что вода хороший растворитель, чистой воды в природе почти нет!
В лабораториях получают дистиллированную – почти чистую воду.
А подземные, речные, водопроводные воды имеют сложный химический состав.
В воде водоемов, где живут самые разнообразные обитатели и растут самые разнообразные растения, идут сложные биологические процессы, меняющие химический состав воды и насыщающие ее органическими веществами. Все это и определяет химический состав воды в аквариуме.
Аквариумисты должны постоянно учитывать некоторые параметры воды, знать, какие химические реакции в ней происходят.
Поэтому они пользуются специальными терминами, которые встречаются в любой литературе по аквариумистике, такими как жесткость воды, водородный показатель pH, редокс-потенциал. Без этих терминов аквариумисту никуда...
Что же это такое?
Постараемся разобраться! (А лучше всего привлечь родителей – пусть помучаются! :-))
Активная реакция воды (водородный показатель pH)
Химическая формула воды H2O.
Это значит, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.
Но под влиянием слабого природного электричества часть молекул воды распадается на ионы. Этот процесс называется диссоциацией.
Соли, кислоты и щелочи, которые растворены в воде, тоже распадаются на ионы.
Ионы воды обозначают так: H+ (свободные водородные ионы) и OH– (гидроксильная группа). Плюс на минус дает сами знаете что. То есть если тех и других в воде поровну, то говорят, что вода имеет нейтральную реакцию.
В нейтральной воде распадается (диссоциирует) примерно одна молекула на каждые 10 000000.
То есть в ней ионов водорода 10 в минус 7 степени: 10 -7. (И ионов гидроксильной группы OH– тоже 10 -7.).
Активная реакция такой воды обозначается водородным показателем с цифрой 7. Почему 7, а не 6 или не 10? Посчитайте нули в десяти миллионах! Записывают водородный показатель латинскими буквами pH. И говорят, что у нейтральной воды pH7.
Если же в воде оказывается больше ионов водорода (Н+), вода становится кислой, если ионов гидроксильной группы (ОН-), то щелочной.
В качестве показателя активной реакции воды будет десятичный логарифм показателя ионов с обратным знаком. (А логарифм, если кто забыл, это вот что: x=10y, ® y=lgx, обратный же знак, потому, что у ионов водорода, растворенных в воде степень минусовая, их же там очень мало). (Вы что-нибудь поняли? Один из авторов этой книги понимает и уверен, что все ясно, яснее некуда, другой ни черта не понял! :-))
Это была теория. Можно ее забыть, если кроме головной боли она ничего не вызывает.
Что нужно помнить:
Чтобы узнать, сколько этого самого pH, то есть водородного показателя в воде, придумали шкалу с делениями от 0 до 14.
Нейтральный показатель pH (наиболее предпочтительный) – это деление под номером 7, ровно посередине шкалы. Пишется это, как мы уже знаем, pH7.
Влево от него идут кислые воды (слабокислая – кислая – сильнокислая), вправо – щелочные (слабощелочная – щелочная – сильнощелочная).
Вот как меняется отношение ионов водорода к ионам гидроксильной группы, если посмотреть на показатели pH:
pH 7
Жизнь в воде возможна в пределах pH 4 – 10. Показатель pH у морской воды равен 8,1–8,3. А вот у пресной воды разброс по шкале сильнее.
Учитывая, что рыбки могут жить в пределах pH от 5 до 9, воду можно разделить так:
pH <5 – сильно кислая,
pH 5–6 – кислая,
pH 6–6,8 слабо кислая,
pH 6,8–7,2 – нейтральная,
pH 7,2–8,0 слабо щелочная,
pH 8,0–9,0 – щелочная,
pH>9 – сильно щелочная.
Показатель pH вообще очень нестабилен: он зависит от температуры воды, от жизнедеятельности растений (значит и от освещения), от того, подвижна ли вода в водоеме или нет.
Разные слои воды могут иметь разный показатель pH. Днем, когда водные растения вырабатывают кислород в процессе фотосинтеза, они подщелачивают воду и pH поднимает вправо по шкале. Но достаточно подуть ветерку над озером, или заработать фильтру в аквариуме, как pH разных слоев уравнивается.
Это еще одна причина, по которой стоячая вода для аквариума – смерть! Потому что без вертикального вращения воды в аквариуме, растения могут так повысить pH в верхних слоях, что у них начнется разрушение листьев и стеблей.
В большинстве случаев показатель pH аквариумной воды колеблется в рамках 6,5–8,5. Но если аквариум сильно загрязнен, давно нечищен и грунт его закис, то водородный показатель у дна может составить и pH 5,5.
Если в аквариуме есть растения, то днем pH, как мы уже говорили, перемещается в щелочную сторону, а ночью, когда они не вырабатывают, а потребляют кислород – в кислую сторону.
Но при всей этой подвижности водородного показателя pH, у обитателей аквариума есть свои рамки. Они называются pH – барьеры. И выход за них в любую сторону по шкале водородного показателя (в кислую или в щелочную) – гибелен.
Так, если перенести аквариумных жителей из одной воды в другую, которые отличаются своим pH больше чем на 0,8–1,0 – то рыбки могут получить сильнейший шок, а у растений начнут отмирать листья и стебли.
Все это происходит потому, что в природе и рыбки, и растения живут в разных условиях. Кто-то в быстрой речке, кто-то в спокойном озере. А раз условия разные, то и pH – барьеры тоже разные.
Если в аквариуме посажены растения с разными pH-барьерами, это может привести к явлению, которое принято называть несовместимостью.
Например, широко распространены в аквариумах три таких растения, как кабомба, валлиснерия и элодея. У кабомбы граница pH-барьера в щелочную сторону заканчивается на 8. В более щелочной воде она прекращает вырабатывать кислород и потреблять углекислый газ (а значит, и расти). У валлиснерии эта граница на pH 10, а у элодеи на pH 11.
Если эти три растения будут вместе, элодея будет подщелачивать верхние слои воды без всякого для себя вреда, а кабомба и валлиснерия не смогут выдержать рядом с ней и будут потихоньку отмирать, потому что при таких показателях pH расти не смогут.
Рыбки тоже сильно реагируют на изменение показателя pH. От его снижения у них может повыситься аппетит, но это такое же обманчивое явление, как и при избытке углекислого газа. На самом деле рыбки не могут усвоить питательные вещества и голодают.
Некоторые рыбки (барбусы и др.) начинают чесаться о грунт и камни, а сомики, несмотря на отменный аппетит, умирают от истощения. Кровь начинает хуже захватывать кислород, и, несмотря на усиленное дыхание, рыбки задыхаются.
Но иногда, чтобы спровоцировать нерест у рыб, нужно изменить им показатель pH на короткий срок. Поэтому при описании рыбок очень часто указывают два необходимых им показателя рН: один нужен для жизни, другой для нереста.
Наиболее подходящая вода для большинства обитателей аквариума должна иметь колебания pH около 7.
Этого достигают, в основном, правильно ухаживая за аквариумом: поддерживают постоянное принудительное ее перемешивание с помощью аэрации и фильтрации, регулярно (обычно еженедельно) меняют часть воды, следят за чистотой в водоеме.
Показатель pH – штука сложная и изменчивая. Попробуй-ка ее определи на глаз! Но есть более стабильный показатель.
Это:
Жесткость воды
Жесткость воды зависит от присутствия в ней растворенных солей кальция (Ca) и магния (Mg).
Жесткость подразделяется на временную, карбонатную (Ca, MgCO3), от которой легко избавиться кипячением, и постоянную, некарбонатную.
Ионы кальция и магния имеют знак "+" и обозначаются как Ca++, Mg++. Они называются катионами и связаны с различными анионами со знаком "-". (Если разделить соль кальция CaCO3, то Ca++ – это катион, а остаток CO3– соответственно анион).
Карбонатная жесткость – это когда катионы связаны с анионами угольной кислоты.
Некарбонатная жесткость – если катионы связаны с анионами хлора, соединениями серы, азота, фосфора, кремния и т. д.
Если значение pH более 8,3, то осадок карбонатов может частично перейти обратно в раствор.
Для измерения жесткости воды аквариумисты пользуются немецкими градусами жесткости dGH (deutsche Gesamt Harte). Общая жесткость здесь обозначается dH или GH, а временная – KH (Karbonat Harte).
Один градус жесткости dGH означает, что в одном литре воды растворено 10 мг CaO.
Для особо дотошных:
В бывшем СССР за единицу жесткости воды принят миллиграмм-эквивалент/литр, то есть 1 мг экв/л равен 20,4 мг кальция или 12,4 мг магния.
Этот показатель отличается от немецкого градуса жесткости, от английского, американского и французского.
1 мг экв/л равен: 2,8 немецкого градуса,
3,5 английского градуса (А),
2,91 американского градуса(Аm)
5,0 французского градуса (ТН).
У общей жесткости воды, так же как у показателя pH, есть своя шкала показателей dH.
Воду разделяют так:
> от 0 до 4 dH – очень мягкая,
> от 5 до 10 dH – мягкая,
> от 11 до 18 dH – средней жесткости,
> свыше 30 dH – очень жесткая.
В природе общая жесткость воды меняется в воде в течение всего года.
Она может увеличиться из-за испарения воды – ведь концентрация солей кальция и магния тогда станет больше. А может уменьшиться из-за дождей, или таяния снега и льда, когда мягкая вода попадет в водоем.
В разных городах общая жесткость воды тоже разная.
Так в Москве общая жесткость воды колеблется от 4 до 14dH,
в Санкт-Петербурге от 2 до 3 dH,
в Саратове от 9 до 14 dH,
в Одессе от 12 dH и выше,
в Риге от 6 до 12 dH.
Рыбкам и растениям нужна вода определенной жесткости. Это тоже всегда указывается в их описаниях, наряду с pH. (Например так: жесткость воды 5 – 20 dH, pH около 7. Иногда вместо dH ставят значок градуса °).
А многие рыбки могут разводиться только в мягкой воде (например, на родине они нерестятся после сезона дождей, когда вода в водоемах разбавляется дождевой и становится мягкой). Поэтому аквариумисту приходится общую жесткость воды уменьшать.
Сделать это можно, добавив дистиллированную, дождевую, снеговую, или сделанную из растаявшего льда воду. Или с помощью специальных ионообменных смол (анионит и катионит).
Поскольку зима у нас долгая и холодная, аквариумисты нашли способ достаточно просто получить много мягкой воды. Это делают вымораживанием.
Для вымораживания нужна вода, ведро и мороз. Водопроводную воду наливают в ведро, выставляют на холод (зимой – на балкон) и замораживают.
Вода замерзает постепенно, начиная со стенок. Замерзая, она "оттесняет" растворенные соли в центр ведра. Этот рассол превращается в лед в последнюю очередь. Главное – не прозевать момент и дождаться, чтобы жидкой осталась примерно 1/3 – ? часть воды. Тогда ледяное ведро пробивают, концентрированный рассол сливают, а лед растапливают.
А раньше изготовленное подобным образом ледяное ведро в Сибири охотники использовали для ловли горностаев и других мелких хищников. Его закапывали на тропе, а внутрь кидали клочок сена и спускали живую мышку в качестве приманки. Горностай за мышкой проникал через пробитую дыру вовнутрь ледяного ведра, а выбраться обратно по скользким ледяным стенкам не мог. :-)
Но мягкая вода создает перед аквариумистами и проблемы: показатель pH в ней сильно колеблется. А в жесткой воде кальций и магний играют роль буфера, который тормозит эти колебания.
И в городах, где водопроводная вода мягкая (а значит карбонатная или временная жесткость воды невысока), аквариумисты могут столкнуться с тем, что по ночам в аквариумах могут происходить заморы – будут гибнуть рыбки, для которых сильные сдвиги pH смертельны, и хиреть растения.
Там же, где вода имеет жесткость выше 6 dH, таких неприятностей можно не опасаться.
Добавление 1 мл 10 % раствора хлористого кальция увеличивает жесткость литра воды примерно на 2,9 dH, а 1 мл 25 % раствора сульфата магния – на 4 dH.
Если pH и жесткость воды вас не испугала, то честь вам и хвала!
Но мы на этом не остановимся. Теперь нас интересует:
Редокс-потенциал среды
И снова химия... :-(
Активная реакция воды (pH) очень влияет на жизнь в водоеме.
Но так же жизнь всех его обитателей зависит от окислительно-восстановительного потенциала. Его называют редокс-потенциал.
Чем же важен редокс-потенциал?
Он стимулирует или наоборот тормозит рост и развитие водных организмов.
О растворенном в воде молекулярном кислороде мы уже говорили. Им дышат животные и растения, он попадает в воду или через поверхность, или в результате фотосинтеза, или посредством аэрации.
А сейчас мы будем говорить об атомарном кислороде, который содержится в молекуле воды H2O.
В слове редокс зашифровано два понятия: восстановление (редукция) и окисление (оксидация).
Редукция – это процесс выделения кислорода или поглощения водорода. Оксидация – процесс поглощения кислорода.
Когда идут окислительные или восстановительные реакции, одно вещество, отдавая свои электроны и заряжаясь положительно, окисляется, другое, приобретая электроны и заряжаясь отрицательно, – восстанавливается. Их электрические потенциалы изменяются.
А разность электрических потенциалов между ними и называют редокс-потенциал.
Чем выше концентрация веществ, которые способны окисляться, к концентрации веществ, способных восстанавливаться, тем выше показатель редокс-потенциала.
Что же из всего этого значит?
А это значит, что как только аквариум оборудован и начинает жить, в нем постоянно происходят невидимые нам окислительные и восстановительные реакции. Он как бы полон сил и энергии.
Про только что устроенный аквариум говорят, что в нем высокий редокс-потенциал. Сразу после оборудования в процессы окисления включаются неорганические вещества. Потом в аквариум заселяют растения и рыбок, – это усиливает окислительные процессы. В них включаются погибшие части корней и листьев, выделения животных, массовое появление, а затем гибель бактерий.
Но вот проходит время, водоем стабилизируется, грунт в аквариуме заиливается, вода "стареет". Он становится похож на пожилого человека, в котором уже нет энергии молодости.
В "постаревшем" аквариуме с заиленным грунтом и "старой" водой активнее протекают процессы восстановления.
Примерно так выглядит процесс, если описать его предельно упрощенно.
В лабораториях электрохимии показатель редокс-потенциала измеряют сложными приборами с платиновыми электродами. Величину редокс-потенциала обозначают как Eh и записывают в милливольтах.
А биохимики переводят эти измерения в свои единицы, которые называют rH (reduktion Hydroqenii).
Для редокс-потенциала биохимики создали, разумеется, тоже шкалу, как и для жесткости воды, как и для pH.
Они разделили ее на 42 деления. В этой шкале 0 обозначает чистый водород, 42 – чистый кислород. Жить рядом с этими показателями невозможно.
Поэтому в природных водоемах с пресной водой величина редокс-потенциала rH, подходящая для жизни, находится между 25 и 35.
В аквариуме рамки еще меньше: между 26 и 32 rH.
А как же узнать несчастному аквариумисту, какова величина редокс-потенциала у него в аквариуме? Приборы с платиновыми электродами ведь на дороге не валяются! :-)
А аквариумист вовсе не несчастный, а очень даже счастливый. Потому что он смотрит на растения! Они тоже могут служить своеобразными приборами, хоть и без электродов из драгоценных металлов.
Если бурно разрастаются сине-зеленые водоросли, то редокс-потенциал высокий.
Если бурно разрастаются зеленые водоросли, редокс-потенциал все еще высокий, но несколько ниже.
Аквариумные цветковые растения развиваются при 29–30 rH.
Апоногетоны обильно цветут при 30,2 – 30,6 rH, а уже при 31 сбрасывают листья.
Эхинодорусы при 30,2 – 30,6 rH болеют и перестают расти.
Если показатель редокс-потенциала выше 31 rH, апоногетоны и эхинодорусы теряют корневища.
Криптокорины чувствуют себя хорошо при величине редокс-потенциала 26–29. Повышение rH может привести к их гибели.
Значение редокс-потенциала очень зависит от состояния грунта. В придонных слоях воды он более низок, чем в верхних, а у поверхности грунта он больше, чем в самом грунте (если грунт сильно слежался).
И чем больше скапливается в грунте веществ, которые способны отдавать электроны, тем больше снижается редокс-потенциал.
А чтобы аквариум был здоров и редокс-потенциал в нем находился на нужном уровне, надо держать его в чистоте и время от времени промывать грунт.
Активная реакция воды, ее жесткость и редокс-потенциал позади, осталось узнать про превращения одного очень важного для аквариумных жителей газа:
Азот и его соединения
В воде постоянно происходит круговорот азота, почти так же, как круговорот воды в природе. И на некоторые моменты этого круговорота, нужно обратить внимание.
Ведь с одной стороны соединения азота очень нужны растениям и водным жителям, но с другой – они могут и отравить. Нас будут интересовать такие азотные соединения, как аммоний, нитриты и нитраты.
Аммоний
Аммоний в аквариуме образуется в результате гниения несъеденного корма, отмерших частей растений, трупиков рыб, которые содержат соединения азота. Когда эти останки гниют, сложные азотсодержащие вещества в них превращаются в аммиак и воду.
Аммиак (NH3) в небольших количествах служит растениям удобрением, но в больших количествах он ядовит.
Аммоний – это сумма ионов аммония(NH4+) и свободного аммиака. Рыбы выделяют аммоний через жабры: на поверхности жабр происходит обмен ионов аммония на ионы натрия. А ионы натрия нужны клеткам организма рыб.
Если в аквариуме слишком много обитателей, а вода регулярно не подменивается, рыбки не могут избавиться от избытка аммония и он накапливается в организме в ходе азотного обмена. И рыбки отравляются им и аммиаком.
Если показатель pH в аквариуме высок, более ядовитым будет аммиак.
А если в воде низкое содержание кислорода, и аммиак, и аммоний становятся еще токсичнее.
При отравлении аммонием у рыб учащается дыхание даже в аэрируемом водоеме, но уменьшается захват кровью молекул кислорода. А снижение кислорода в крови вызывает нарушение кислотно-щелочного баланса в организме. (И "Орбит" без сахара тут не поможет! :-))
Не довести аквариум до такого печального состояния помогает фильтрация, аэрация и регулярная подмена воды.