Rambler's Top100


logo














 

Калькулятор CO2

 

  АКВАРИУМНАЯ ГИДРОХИМИЯ
Аквариумная гидрохимия

Градусы
жесткости воды:
dGH (dH), Clark, fh, usH и другие

Жесткость аквариумной воды, и в чем её выражают

Жесткость – важнейшее свойство пресной аквариумной воды. По традиции измеряют её в градусах, но в разных странах свои особенные градусы жесткости. Переводить одни градусы в другие и понять, что же все таки они означают поможет начинающему аквариумисту эта статья.

"Градусы бывают разные…"
Народная мудрость

     Жесткость – одно из важнейших свойств аквариумной воды. Хотите заниматься аквариумистикой серьезно? Тогда вам просто необходимо разобраться в том, что это такое и как это измеряют!
     Жесткость воды – это совокупность ее свойств, обусловленных присутствием в ней катионов кальция (Ca2+), магния (Mg2+), и отчасти двухвалентного железа (Fe2+)1). 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 SO42-, Cl- и др. При кипячении такой воды концентрации этих катионов и анионов практически не изменяются – отсюда и название "постоянная жесткость".
    Временная 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 вещество. 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 нашем сайте 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 используется отдельное понятие "ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ", ведь понятие "МИНЕРАЛИЗАЦИЯ" охватывает присутствие в воде всех солей и вышеозначенных тоже? Разница между этими двумя понятиями все же 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 мг-экв/л (до этого – в немецких градусах), в других странах принято обозначать жесткость в УСЛОВНЫХ градусах:

НЕМЕЦКИЕ ГРАДУСЫ (dGH):
  = 1часть оксида кальция – СаО в 100000 частей воды, или 0.719 частей оксида магния – MgO в 100000 частей воды, или 10 мг СаО в 1 л воды, или 7.194 мг MgO в 1 л воды. dGH (dH) и dKH в настоящее время наиболее часто употребляется в аквариумистике как единица измерения жесткости, причем обозначение dGH – относится к общей жесткости, dKH – к карбонатной;

ФРАНЦУЗСКИЕ ГРАДУСЫ (fh):
  = 1 часть CaCO3 в 100000 частей воды, или 10 мг CaCO3 в 1 л воды;

АМЕРИКАНСКИЕ ГРАДУСЫ (usH):
  = 1 гран (0.0648 г) CaCO3 в 1 галлоне (американском! 3.785 л) воды. Поделив граммы на литры получаем: 17.12 мг/л СаСО3 . Однако есть еще одно определение американского градуса: 1 часть CaCO3 в 1000000 частей воды (в англоязычной литературе выражение концентрации, как 1 часть на 1 000 000 частей называют ppm - part per million (одна часть на миллион), и часто используют. На практике оно идентично 1мг/л). Таким образом этот 1 американский градус = 1мг CaCO3  в 1 л воды. Именно эта величина американского градуса принята во всех таблицах с переходными коэффициентами для перевода одних единиц измерения жесткости в другие; (случай странный, ибо люди сведующие в штатовской жизни, такие как например автор известного аквариумного сайта Миклуха (которого я специально об этом спрашивал, а он любезно мне ответил, за что БОЛЬШОЕ СПАСИБО) утверждают, что в США используется именно первый из упомянутых американских градусов).

АНГЛИЙСКИЕ ГРАДУСЫ (Clark):
  = 1 гран (0.0648 г) в 1 галлоне (английском! 4.546 л) воды = 14.254 мг/л CaCO3 .

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

Таблица 1
Наименование единиц Мг-экв/л Градус жесткости
немецкий французский американский английский
1 мг-экв/л 1 2.804 5.005 50.045 3.511
1 немецкий градус dH 0.3566 1 1.785 17.847 1.253
1 французский градус 0.1998 0.560 1 10,000 0.702
1 американский градус 0.0200 0.056 0.100 1 0.070
1 английский градус 0.2848 0.799 1.426 14.253 1

     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: 2)

Единицы жесткости воды, выраженные в миллионных долях (ppm) растворенных солей кальция*
1 английский градус (Clark)
1 немецкий градус (dH)**
1 американский градус
1 французский градус (fh)
=14.3 ppm
=17.9 ppm
=17.1 ppm
=10.0 ppm
1 ppm = 1 миллиграмм на литр
* Английские, французские и американские градусы жесткости выражают содержание карбоната кальция (СаСО3), в то время как немецкие градусы показывают содержание окиси кальция (СаО).
** Номинально обозначение "dH" применяется только к немецким градусам жесткости, однако в последние годы оно стало применяться универсально.

     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:

40.08 - 56.08
Х - 10

     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:

40.08 - 100.08
7.15 - Y

     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?

40.08 - 56.08
Х - 17.9

     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 может3). 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.

Таблица 2
Единица измерения жесткости Содержание какого вещества отражают Численное значение 1 единицы Эквивалентная масса ионов,  реально существующих в воде
Для кальция Для магния Са2+ Мg2+
Мг-экв/л Са2+ и Мg2+ 1 мг-экв/л 1 мг-экв/л 20.04 12.15
Немецкий градус dGH CaO и MgO 10 мг/л СаО 7.19 мг/л MgO 7.15 мг/л 4.34 мг/л
Французский градус fh CaCO3 10 мг/л CaCO3 8.425 мг/л MgCO3 4.005 2.429
Американский градус usH CaCO3 1 мг/л CaCO3 0.8425 мг/л MgCO3 0.4005 0.2429
Английский градус (Clark) CaCO3 14.254 мг/л CaCO3 12.008 мг/л MgCO3 5.708 3.463

     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 **), 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. Майланда4) (стр.52).

Таблица 3
  Нем.
°dH
Англ.
°eH
Франц.
°fH
Америк.
°usH
СНГ
°suH
1 нем. градус 1.00 1.25 1.78 17.8 7.15
1 англ. градус 0.798 1.00 1.43 14,3 5.70
1 франц. градус 0.560 0.702 1.00 10.0 4.0
1 америк. градус* 0.056 0.070 0.10 1.0 0.40
1 рус.градус 0.14 0.111 0.078 0.0078 1.00

* Данные в ppm (parts per million) при условии,
что масса 1 литра воды равна 1 кг.

     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 непонятно какие градусы непонятно чего.
     Завершая этот материал, упомяну о парадоксальных результатах, которые можно получить измеряя временную 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.Майланд5), 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.

В. Ковалев, кандидат биологических наук.

1) О.С.Зайцев, "Исследовательский практикум по общей химии", М., издательство МГУ, 1994 г. Назад к тексту
2) М.Бейли, П.Бергесс, "Золотая книга акариумиста", Москва, "Аквариум", 2002 г. (страница 116). Назад к тексту
3) 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
4) Г.Й.Майланд "Аквариум и его обитатели", БММ АО, Москва 1998 г. Назад к тексту
5) Там же. Назад к тексту


Наверх   На Главную страницу

Rambler's Top100      Рейтинг@Mail.ru     

Аквариум. Современная Аквариумистика.
Правообладатель: Живая Вода®   Любые способы полного или частичного копирования и публикации данного текста и иллюстраций без письменного разрешения администрации интернет-ресурса vitawater.ru запрещены.

   © Живая Вода, 2001-2016 гг.   @webmaster

Реклама