Преведено от статията на Ранди Хомс
Морската вода е сложен разтвор, съдържащ голямо разнообразие от органични и неорганични химикали. Без практически познания за това какво се съдържа в естествената морска вода, често е трудно да се оценят проблемите в аквариума, както и твърденията на производителите и други акваристи за това какви добавки и методологии е желателно да се използват за поддържане на рифови аквариуми.
Тази статия се стреми да даде по-добро разбиране за това какво се случва в морската вода, отколкото една проста таблица с концентрациите на елементи, въпреки че са предоставени и такива таблици.
Молекулата на водата е съставена от два водородни атома, свързани с един кислороден атом (H2O ; Фигура 1).
Водата съставлява около 96,5% от масата на естествената морска вода. Аквариум от 100 галона съдържа приблизително 12 500 000 000 000 000 000 000 000 000 000 водни молекули. Едно от най-важните свойства на водата е, че тя е предимно течност, а не газ, при стайна температура. Повечето други молекули с подобен размер и тегло (напр. кислород, O2 ; азот, N2 ; амоняк, NH3 ) са газове при стайна температура. Причината водата да е течност е, че тя образува силни междумолекулни водородни връзки, при които водородният атом от една водна молекула образува преходна химическа връзка, наречена водородна връзка, с кислородния атом в близка водна молекула. Въпреки че всяка от тези връзки трае само за части от секундата, тя бързо и многократно се възстановява, след като бъде разкъсана. Тази мрежа от водородни връзки ( Фигура 2 ) държи водата в течно агрегатно състояние, вместо да я оставя да се разпръсне като газ.
(https://i.postimg.cc/3r250NtS/figura-1.png)
Освен това, диполярната природа на водата ѝ позволява да взаимодейства силно със заредени йони в разтвор. Няколко водни молекули, например, се групират около всеки йон и се ориентират, за да се възползват от...тези йонни и частични йонни взаимодействия. Например, водата се ориентира с кислородните си атоми, насочени към положително заредения калциев йон (Ca ++ ) в разтвора. Този ефект е много важен за много свойства, от разтворимостта до осмотичното налягане.
(https://i.postimg.cc/SKjjmCf4/figura-2.png)
Физически свойства на морската вода
Морската вода има по-висока плътност от сладката вода, поради по-високата плътност на разтворените в нея соли. Морската вода със соленост от 35 ppt е около 1,0264 пъти по-плътна от сладката вода при същата температура и затова се казва, че има специфично тегло от 1,0264. Това свойство е причината хидрометрите да са подходящ начин за измерване на солеността.
Морската вода също пречупва светлината (пречупва преминаващата през нея светлина) повече от сладководната. Този ефект се дължи на по-пречупващия характер на йоните в разтвора в сравнение със сладководните. Коефициентът на пречупване на сладководните води е около 1,33300, докато този на морската вода със соленост 35 ppt е около 1,33940. Рефрактометрите се възползват от това свойство и позволяват на акваристите да измерват солеността чрез коефициент на пречупване.
Заредените йони в морската вода могат да провеждат електричество. Това свойство не само прави аквариумите с морска вода опасни от гледна точка на електрическата безопасност, но и позволява на акваристите да измерват солеността чрез проводимост . Колкото повече заредени йони са налични, толкова по-висока е проводимостта, а устройство, което може правилно да измерва проводимостта, може да доведе до полезни определяния на солеността. Проводимостта на морската вода със соленост от 35 ppt е 53 mS/cm, докато за пречистената сладка вода тя е под 0,001 mS/cm.
Когато морската вода се изпарява, тя навлиза в атмосферата, но солите обикновено остават. Тези соли могат да станат все по-концентрирани, ако изпарената вода не се долее с прясна или ако се замести с още морска вода, съдържаща допълнителни соли. Когато това се случи в езеро за събиране на сол, може да е желателно, но ако се случи в затворена лагуна или морски аквариум, солеността може да се повиши до точката, в която морските организми са стресирани или убити.
Морската вода, с многото си заредени йони, има по-високо осмотично налягане от сладководната. Накратко, водата ,,предпочита" да се смесва със заредените йони. Тоест, тя е в по-ниско енергийно състояние, когато съдържа заредени йони, поради причините, описани в предишния раздел. Следователно, ако сладководната и солената вода са разделени от мембрана, през която може да премине само вода, водата ще тече от сладководната в солената вода. Ако този процес се уравновеси, водата ще тече, докато концентрациите на сол от двете страни станат еднакви, или, ако се позволи да се повиши налягането, той ще продължи, докато по-високото водно налягане от страната на морската вода не се отблъсне срещу входящата вода, за да я спре. Това налягане се нарича осмотично налягане. Осмотичното налягане между морската вода с концентрация 35 ppt и сладководната вода е 25,9 бара (25,5 атмосфери) при 25°C.
Тъй като водата се привлича от соли в морската вода, налягането на водните пари над морската вода е по-ниско, отколкото над сладката вода при същата температура. То е с около 2% по-ниско спрямо морската вода, която при 25°C е 23,323 mm Hg, докато сладката вода има налягане на парите от 23,756 mm Hg при същата температура.
Йоните и другите разтворени химикали обикновено бързо дифундират и се смесват през няколко фута вода. Аквариум с типична циркулация няма да покаже значителни разлики в химичните свойства като функция на дълбочината или в целия аквариум, освен в случаите на непрекъснато добавяне на добавки (като капеща варова вода), които може да отнемат време, за да се смесят напълно. Океанът, където разстоянията са много по-големи в сравнение с движението на теченията и дифузията за период от няколко дни, може да покаже значителни вариации в химичния състав като функция на дълбочината и местоположението.
Морската вода със соленост 35 ppt има точка на замръзване, която е с 1,9°C по-ниска от сладководната. Това понижаване на точката на замръзване се получава, защото йоните във водата са склонни да я правят по-стабилна в течна форма, отколкото в твърдо състояние. Когато морската вода замръзва, повечето йони се изключват от леда, въпреки че някои, като например сулфати, могат да бъдат включени до известна степен. Следователно, солите в морския лед не съответстват на състава на морската вода.
PH
Обикновено се посочва, че pH на морската вода е 8,2 ± 0,1, но може да варира, тъй като фотосинтезата консумира въглероден диоксид локално, а дишането на организмите съответно произвежда такъв. PH също варира в зависимост от географската ширина. То е функция и на дълбочината по различни причини, включително фотосинтеза близо до повърхността, разлагане на органични вещества в средните дълбочини (понижаване на pH до 7,5 на 1000 метра) и разтваряне на калциев карбонат в много дълбоки води (повишаване на pH обратно до около 8). В затворени лагуни pH може да се променя циклично -с разлики между дневно и нощновреме, точно както в рифов аквариум, повишавайки се с няколко десети от pH единица през деня. При специални обстоятелства морската вода може да има много по-ниско pH. Морската вода в мангровите гори, където присъстват силно редуциращи седименти, може да намали pH под 7,0. В открития океан, където има много по-голям обем вода, съдържаща буфери, pH се колебае малко. Тъй като хората добавят въглероден диоксид в атмосферата, повече въглероден диоксид е добавен и в океаните, което води до последващ спад на pH. Това е едно от въздействията, които хората са оказали върху океаните, което тревожи еколозите по отношение на въздействието му върху калциращите организми, особено върху кораловите рифове, но също и върху други системи, включващи организми като фораминиферите, които имат варовикови скелети и са важни звена в много морски хранителни вериги.
Алкалността на естествената морска вода е предимно мярка за бикарбонат плюс два пъти концентрацията на карбонат. В океана тя варира в зависимост от местоположението и дълбочината. В повърхностните води тя обикновено варира между около 2,25 и 2,45 meq/L (6,3 до 6,9 dKH) и често се променя в зависимост от промените в солеността. В дълбоки води и издигащи се води тя може да е по-висока поради разтваряне на калциев карбонат , което се дължи на налягането.
Елементи в морската вода
Почти всеки елемент, известен на човека, е бил открит в морската вода. Някои от тях присъстват в много високи концентрации, а други са изключително редки. Този уебсайт показва периодичната таблица с елементи (http://www.marscigrp.org/ocpertbl.html) към които може да се посочи с курсора, за да се види концентрацията на всеки от тях в морската вода, както и множество други свойства на елемента. Разделите, които следват в тази статия, описват подробно концентрациите и други интересни аспекти на много от елементите, представляващи най-голям интерес за рифовите акваристи.
Големите четири йона
Повечето от съставките на морската вода са неорганични йони. Фигури 3 и 4 (по-долу) показват основните йони, присъстващи по тегло и брой. Натрият и хлоридът (двата йона в готварската сол) са двата основни йона в морската вода. С 19 000 ppm за хлорид и 10 500 ppm за натрий, те съставляват съответно 54% и 30% от общото тегло на йоните в морската вода. Следващите два най-често срещани йона, магнезият (с 1280 ppm) и сулфатът (с 2700 ppm), съставляват съответно 3,7% и 7,7% от теглото на йоните в морската вода. Заедно тези четири йона съставляват почти 96% от теглото на присъстващите йони.
(https://i.postimg.cc/BZdmfCsH/4bigjoni.png)
Макар че тези факти може да изглеждат маловажни за акваристите, те имат значителни последици. Например, солеността на морската вода, независимо дали е измерена с хидрометър, рефрактометър или измервател на проводимост, се определя доминирано от тези четири йона. Отклоненията в концентрацията на който и да е друг йон, дори и да са значителни по други причини, няма да променят съществено тези измервания. Например, дали калцият е 300 ppm или 500 ppm, няма да се забележи при типично определяне на солеността. Тази разлика представлява само 0,6% промяна в общото тегло на наличните соли, променяйки солеността от 35 ppt на 34,8 ppt. По същия начин, независимо дали алкалността е 5 meq/L (14 dKH) или 2 meq/L (5,6 dKH), промяната в солеността е само около 0,5%.
Друго важно следствие от високата концентрация на тези други йони е, че те се движат много бавно, когато са нарушени от добавки и храни. Например, добавянето на калциев хлорид повишава хлорида повече, отколкото калция, но тъй като вече има фон от 19 000 ppm хлорид, подобни добавки не нарушават бързо относителните съотношения на различните йони в морската вода.
(https://i.postimg.cc/bwKyQWjS/figura-4.png)
Интересен (поне за химиците) е фактът, че тъй като сулфатният йон (SO4- ) тежи четири пъти повече от магнезиевия йон (Mg ++ ), той всъщност присъства в по-малки количества от магнезиевите йони (Фигура 4), въпреки че е с по-висока концентрация, базирана на тегло (Фигура 3). Друг коментар относно концентрациите на магнезий в морската вода - съдържанието на магнезий в морската вода, заедно с това на други йони, не е постоянно от началото на образуването на океаните. По-конкретно, то често е било по-ниско, например в края на периода Креда. Количеството магнезий, включено в калциево-карбонатните скелети на организми като коралите, е функция на това колко магнезий има във водата. Следователно, съдържанието на магнезий в древните седименти може да бъде значително по-ниско от по-съвременните от подобни организми. Освен че е интересен факт, този резултат може да играе роля и в пригодността на някои варовикови находища за поддържане на магнезий в аквариуми. Например, такъв варовик понякога се използва в CaCO3 / CO2 реактори или като суровина за производство на калциев хидроксид (вар). Ако е с ниско съдържание на магнезий, може да са необходими допълнителни добавки, за да се поддържат съвременните концентрации на магнезий в морската вода.
Другите основни йони
Основните компоненти на морската вода обикновено се определят като йони, присъстващи в количество, по-голямо от 1 милионна част (ppm) или 1 милиграм на литър (mg/L) (Таблица 2). Различно определение за основни йони, базирано на броя на присъстващите йони, а не на теглото им, има малко по-различен списък, като се добавя литий (0,17 ppm). Заедно тези йони представляват 99,9% от разтворените вещества в морската вода.
(https://i.postimg.cc/7LdKP17m/figura-5.png)
Един важен момент относно тези концентрации: те са верни само за типична морска вода, която съдържа около 35 тегловни части сол на хиляда части морска вода (35 ppt). Тази морска вода има специфично тегло около 1,0264, което може да е по-високо от това, което се поддържа в много морски аквариуми. Тъй като солеността на морската вода варира, тези концентрации обикновено се променят едновременно нагоре и надолу. Следователно, ако един аквариум съдържа вода със специфично тегло 1,023, солеността е около 30,5 ppt и всички концентрации в Таблица 1 са намалени с около 13 процента.
Всички тези основни йони са по същество непроменени по концентрация на различни места в океана, освен ако промените в солеността не ги преместват всички заедно нагоре или надолу. Йоните, чиято концентрация не се променя от място на място, се наричат йони от ,,консервативен тип", описание, което се отнася и за някои от второстепенните и микроелементите, които са разгледани по-долу.
Основните йони включват тези, които са критични за акваристите, като калций и бикарбонат, и други, които по-рядко се вземат предвид, като калий и флуорид.
Органичните молекули могат също да отговарят на определението за основен компонент на морската вода (Таблица 2), но традиционно не се считат за основен вид в морската вода.
Малки йони
Съществуват различни определения за това кои йони в морската вода представляват ,,малките йони". Според някои определения списъкът със съставки е доста дълъг. Таблица 3 показва само няколко от съставките на морската вода, които често се обозначават като малки йони. По-изобилните от тях понякога се обединяват с основните йони (като литий), докато най-малко разпространените (като желязо) често се обединяват с микроелементи. Йоните в тази категория често варират значително в зависимост от местоположението в океана. Това е главно защото много от тях са тясно свързани с биологичната активност. Тези йони могат да бъдат локално изчерпани, ако биологичната активност е достатъчно висока. Йоните, които варират по този начин, се наричат йони от ,,хранителен тип", защото се консумират от един или повече вида организми.
(https://i.postimg.cc/kgc4dfrr/tablica-3.png)
Разтворени атмосферни газове
Всеки газ, присъстващ в атмосферата, ще присъства и в морската вода. Много от тях не са важни за рифовите акваристи, но два са от решаващо значение: кислород и въглероден диоксид. Освен въглеродния диоксид, всички газове имат по-ниска разтворимост в морската вода с повишаване на температурата и солеността.
Кислородът обикновено е най-силно концентриран близо до повърхността на океана. В горните 50 метра концентрацията на кислород се контролира до голяма степен чрез обмен с атмосферата и обикновено е близка до равновесие с въздуха. Между 50 и 100 метра нивото на O2 често се повишава поради фотосинтезата. Под около 100 метра в открития океан нивото на кислород спада постоянно,a през следващите 1000 метра поради биологични процеси, които го консумират. След това понякога нивото се повишава отново в по-дълбоките океани, тъй като кислородът там се попълва от потъваща студена океанска вода, богата на кислород.
Въглеродният диоксид е специален случай. Той се хидратира при контакт с вода, за да образува въглеродна киселина, която след това може да се йонизира (разпадне) до водородни йони, бикарбонат и карбонат, както е показано по-долу.
CO2 + H 2 O <--> H2CO3 <--> H + HCO 3 <--> 2H + CO 3
Поради тази причина въглеродният диоксид е много по-разтворим в морската вода, отколкото всеки друг атмосферен газ. Той е по-разтворим от всички останали газове взети заедно, като всъщност общата му разтворимост е около 100 ppm въглероден диоксид.
Микроелементи
Много се дискутира темата за микроелементите в морските аквариуми и то с основание. Повечето химикали, разтворени в морска вода, се класифицират като микроелементи, просто защото много йони и молекули присъстват в много ниски концентрации. В много случаи концентрацията на тези йони варира от място на място, а също и в зависимост от дълбочината.
Много микроелементи са метали. Докато хората обикновено възприемат разтворените тежки метали като токсични, няколко от тях са от съществено значение за организмите. Тяхната токсичност е свързана предимно с тяхната концентрация: златната среда е от съществено значение, където достатъчно от всеки от тези метали присъства, за да съществува живот, но не е наличен толкова много, че да е токсично. Добър пример е медта. Тя присъства в естествената морска вода в количество от около 0,25 части на милиард (ppb), което е около хиляда пъти по-малко от токсичните нива, често използвани за убиване на микроорганизми при лечението на болни морски риби. Медта обаче е необходима за оцеляването на много животни.
За разлика от повечето основни йони, много от второстепенните и микроелементите приемат много различни форми в морската вода. Следователно, еднократна мярка за количеството на даден атом (напр. мед, йод или желязо) казва малко за неговите различни форми, неговата бионаличност за организмите или неговата токсичност. Йодът в морската вода, например, приема формите на йодид (I⁻ ) , йодат (IO3⁻ ) и органойодни съединения, от които има много, включително метилйодид (CH3I ) . В някои случаи тези разлики са добре установени за естествената морска вода, а в други случаи, като например метали, свързани с органични вещества, те продължават да бъдат слабо разбрани. Може да се каже обаче, че много по-малко се знае за тези проблеми в рифовите аквариуми, където често се добавят неестествени материали (напр. хелатни метали, йод като I2 и др.) и концентрациите на определени видове може да са много по-високи (или евентуално по-ниски), отколкото в естествената морска вода (метали, органични вещества, фосфати, нитрати и др.).
Органични продукти
Природата на органичните молекули със сигурност е най-сложният аспект на химията на морската вода. Неотдавнашна статия в списание ,,Nature" гласи:
,, Разтворената органична материя (dissolved organic matter, ще наричаме за по-лесно DOM) в морската вода е най-големият резервоар на обменим органичен въглерод в океана, сравним по количество с атмосферния въглероден диоксид. Съставът, времето на обмяна и съдбата на всички, с изключение на няколко, планктонни съставки на това вещество обаче са до голяма степен неизвестни. "
рганичните съединения се определят от химиците като такива, които съдържат въглеродни и водородни атоми. Те могат да съдържат и други атоми и често съдържат както азот, така и фосфор. Органичните материали имат много важни свойства в морската вода, включително това, че са храна, токсини и свързващи метали агенти. Те също така причиняват повечето миризми, могат да инхибират абиотичното утаяване на калциев карбонат и да намалят проникването на светлина през водата.
Океанографите често класифицират органичните материали като разтворена органична материя (DOM) или частици органична материя (particulate organic matter POM). Определението е оперативно, като DOM се определя като всички органични материали, които могат да преминат през филтри с размери 0,2 - 1,0 мм, а POM са всички материали, които се задържат от такива филтри. Макар че това определение е полезно и лесно за тълкуване, то може да бъде донякъде подвеждащо. Химик, когато бъде попитан за капка масло с размер 0,2 мм във вода, не би твърдял, че е ,,разтворено" във водата, но би попаднало в определението за DOM.
В рифов аквариум и в природата, нещата, описани като POM, включват живи организми, като някои бактерии и фитопланктон (и всички ,,разтворени" органични материали в телата им). Това би включвало и това, което акваристите често наричат детрит: натрупаните частици органичен материал, които възникват от части от мъртви организми и струпванията на разтворени органични материали.
Химичната природа на органичната материя в океана е слабо проучена. Част от причината за тази липса на разбиране произтича от огромното разнообразие от органични материали, които съществуват в океаните. По същество няма ограничение за броя на различните органични съединения, които са теоретично възможни, и факт е, че милиони органични съединения са били синтезирани или идентифицирани. Идентифицирането и количественото определяне на всеки възможен органичен материал в морската вода просто не е възможно, поне със съвременните технологии. Следователно, идентифицирането на формата, която органичните материали приемат в океана, най-често включва групирането им в класове чрез функционален тест, като например дали могат да бъдат извлечени от водата с хидрофобен разтворител, дали съдържат азот или фосфор и т.н. Само малък брой органични съединения са били индивидуално идентифицирани и количествено определени в морската вода, съставляващи 4-11% от общия органичен въглерод.
Разтвореният органичен материал в океаните често се измерва по отношение на съдържанието му на въглерод и се нарича разтворен органичен въглерод (dissolved organic carbon-DOC) и частичен органичен въглерод (particulate organic carbon - POC). Повърхностните океански води обикновено съдържат около 0,7-1,1 ppm DOC. Частичните органични материали (POM) са по-сложни за количествено определяне от DOM, защото по дефиниция POM включва всички органични материали по-големи от 1 mm (микрон). Това определение включва всичко - от бактерии до китове. Идентифицирането им като отделни химикали също е безплодно упражнение. Въпреки това, суспендираният POC често е по-малко изобилен от DOC, често с порядък.
Как се държат йоните в морската вода?
В предишните раздели описахме какви йони присъстват в морската вода, но не и как те взаимодействат помежду си. Основните и второстепенните неорганични йони в морската вода се движат независимо едни от други, образувайки непрекъсната мъгла от заредени йони, движещи се през водата.
Много от йоните обаче са частично и временно свързани един с друг в разтвора и не действат като напълно отделни видове. Тенденцията за образуване на йонни двойки в разтвор е много по-разпространена за някои йони (напр. калций, Ca2 + ; магнезий, Mg2 + ; карбонат, CO3- ; флуорид , F⁻ ; хидроксид, OH⁻), отколкото за някои други (напр. натрий, Na + ; калий, K + ; хлорид, Cl-; бромид, Br-). Като цяло, тенденцията за образуване на йонни двойки е по-висока за йони с по-висок нетен заряд. Такива йонни двойки имат значително влияние върху различни свойства на морската вода, които са от голямо значение за акваристите, като например разтворимостта на калциев карбонат .
Как се държат йоните в морската вода: Прости йони
Най -простите положително заредени йони в разтвора са натрий (Na⁺ ) и калий (K⁺ ) . Те са предимно свободни йони, с обвивка от три или четири здраво свързани водни молекули, прикрепени към тях. Това е известно като ,,първична хидратационна сфера". Тези водни молекули са сравнително здраво свързани, но бързо се обменят с други водни молекули от обема на разтвора (със скорост от около милиард обмена в секунда за всеки йон!). Отвъд тази първа обвивка има още 10 до 20 водни молекули, които са по-слабо свързани, но все още са силно повлияни от металния йон. Тези видове хидратиращи водни молекули присъстват за всички йони в разтвора и няма да бъдат споменавани по-нататък за всеки йон поотделно.
Малка част от натрия и калия (около 5%) съществуват като йонни двойки със сулфат, образувайки NaSO4⁻ и KSO4⁻ . Този тип йонна двойка се разглежда най-добре като временна асоциация между двата йона и може да продължи само за много малка част от секундата, преди йоните да се разделят. Въпреки това, този тип асоциация може да има важни последици за поведението на тези йони. Йоните, образуващи такива двойки, всъщност се ,,докосват". Тоест, повечето или всички хидратиращи водни молекули, които са между тях, са временно отстранени. Това премахване на междинните водни молекули е основната разлика между йонните двойки и йоните, които са просто близо един до друг.
Най-простите отрицателно заредени йони, хлорид (Cl⁻ ) и бромид (Br⁻ ) , образуват малко йонни двойки в разтвор. Те присъстват предимно под формата на хидратирани свободни йони, съответно с две и една здраво свързани водни молекули.
Как се държат йоните в морската вода: карбонат и бикарбонат
Едно от по-сложните взаимодействия, и едно от много важните за рифовите акваристи, включва карбонат (CO3 2- ) . Карбонатът е предимно йонно сдвоен в разтвор, като само около 15% реално присъства като свободен CO3 2- във всеки даден момент. Този факт е важен за поддържането на нивата на калций и алкалност в аквариумите, защото именно концентрацията на свободен карбонат може да се утаи с калций като калциев карбонат (CaCO3 ) . Ако нивата на свободен карбонат се повишат твърде много, нивата на калций ще спаднат поради утаяването на CaCO3 .
Карбонатът образува йонни двойки предимно с магнезий, образувайки разтворим MgCO3 . Този ефект е една от причините, поради които нивата на магнезий са толкова важни в морските аквариуми за поддържане едновременно на високи нива на алкалност и калций. Ако магнезият е твърде нисък, повече карбонат ще бъде в свободна форма и ще бъде по-склонен да се утаи като калциев карбонат.
Карбонатът също е йонно сдвоен с натрий и калций, образувайки съответно разтворими NaCO3⁻ и CaCO3 . Йонната двойка разтворим калциев карбонат звучи странно, но по същество това е една отделна молекула CaCO3 , която е разтворима във вода; тя не се утаява от разтвора. Фактът, че карбонатът също е йонно сдвоен с натрий, е една от причините солеността да оказва влияние върху количеството калций и алкалност, които могат да се поддържат в разтвора: по-ниската соленост означава по-малко натрий, което означава повече свободен карбонат и по-голяма вероятност за утаяване на CaCO3 .
Йонното сдвояване има друг голям, но по-фин ефект върху карбоната. Във вода въглеродният диоксид се хидратира, за да образува H₂CO₃ , който след това може да се разпадне (йонизира) на протони (H⁺ ) , бикарбонат (HCO₃- ) и карбонат ( CO₃- ) :
CO2 + H2O <--> H2CO3 <--> H + + HCO3- <--> 2H + + CO 3 --
Когато CO2 се добави към вода, системата ще достигне равновесие със специфични концентрации на всеки от показаните по-горе видове. Съгласно принципа на Льошателие, ако нещо се отстрани от едната страна на равновесието, равновесието ще се измести в тази посока. Например, ако карбонатът се отстрани от системата, тогава всяка от показаните реакции ще продължи надясно, като ефективно ще замести част от отстранения карбонат.
Важно е да се отбележи, че точно този ефект се наблюдава в морската вода, когато карбонатът се ,,отстранява" чрез образуване на йонни двойки. Само ,,свободната" концентрация на тези видове определя позицията на химичното равновесие, така че карбонатът под формата на йонна двойка не се ,,брои" и равновесието се измества силно надясно. Ако броим карбоната във всички форми (свободен и йонно сдвоен), се оказва, че той е много по-висок в морската вода, отколкото в сладката вода при същото pH, а йонното сдвояване е основната причина.
Същият ефект може да се наблюдава и при разтворимостта на CaCO3 :
CaCO 3(твърд) <--> Ca ++ + CO 3 --
В този случай, ако CaCO3 се добави към водата, той се разпада на Ca2 + и CO3- . В крайна сметка се достига равновесие, при което CaCO3 повече не се разтваря. Ако обаче част от карбоната се отстрани чрез йонно сдвояване (както и част от Ca2 + ), тогава допълнителен CaCO3 може да се разтвори, за да замести ,,загубения". Това е основната причина, поради която CaCO3 е приблизително 15 пъти по-разтворим в морска вода, отколкото в сладка вода.
Бикарбонатът (HCO3- ) присъства в морската вода в значително по-висока концентрация от карбоната, въпреки че точното съотношение зависи от pH (много), температурата (малко) и солеността (малко). При pH 8,0 има около седем пъти повече бикарбонат, отколкото карбонат. Процентът на карбоната се увеличава с повишаване на pH, докато при pH 8,9 (при 25°C) концентрациите на карбонат и бикарбонат са равни. За разлика от карбоната, бикарбонатът не е екстензивно йонно свързан, като само около 25% от него е свързан с натрий, магнезий и калций.
Както карбонатът, така и бикарбонатът са от решаващо значение за рифовите акваристи, като бикарбонатът е важен като източник на скелетни градивни материали , а карбонатът контролира утаяването на калциев карбонат върху нагревателите и помпите.
Как се държат йоните в морската вода: калций, магнезий и стронций
Калций , магнезий и стронций присъстват предимно в свободна форма, хидратирани от шест до осем здраво свързани водни молекули. Малко количество от всеки от тях (около 10-15%) присъства като йонни двойки със сулфатни йони. Много по-малки проценти присъстват като йонни двойки с карбонат и бикарбонат. Важно е да се отбележи, че макар тези комплекси да включват само малък процент от общия калций и магнезий, те включват голяма част от общия карбонат (което е възможно, защото има толкова много калций и магнезий в сравнение с карбоната).
Средното време на престой (т.е. колко дълго средно един йон остава в океана, преди да се отложи в седименти) за магнезий в морската вода е от порядъка на 45 милиона години. Това време е значително по-дълго от това на калция (няколко милиона години), но по-малко от това на натрия (около 250 милиона години). В известен смисъл този резултат произтича от високата му концентрация и от това колко лесно се отлага в различни минерали. Калцият се извлича по-бързо, тъй като се отлага в калциево-карбонатни скелети. Стронцийът попада между калция и магнезия по отношение на времето на престой, което отразява сравнително бавното му усвояване, но също така и сравнително ниската му концентрация.
Магнезият е особено важен заради ролята си за предотвратяване на абиотичното утаяване на калциев карбонат от морската вода. Морската вода е пренаситена по отношение на калциевия карбонат, но всеки път, когато той започне да се утаява, магнезият се прикрепя към повърхността на нарастващия кристал и възпрепятства по-нататъшното утаяване. Следователно, океанът може да остане пренаситен за дълги периоди от време.
Как се държат йоните в морската вода: Сулфат
Както бе споменато по-горе, сулфатът образува йонни взаимодействия с повечето положително заредени частици в морската вода. Всъщност, повече от половината от него е под формата на йонна двойка, като доминират NaSO₄ и MgSO₄ . Сулфатът не е особено забележителен като компонент на морската вода, тъй като присъства в сравнително висока концентрация, която не варира много в зависимост от местоположението или дълбочината. Ако обаче нивото на кислород спадне значително, той може да служи като акцептор на електрони (източник на кислород) за микроорганизми, разграждащи органични материали. Този процес образува токсичния газ, сероводород.
Заключение
Океанът е сложна химическа супа, съдържаща голямо разнообразие от различни органични и неорганични химикали. Много от тези химикали имат важно значение за рифовите акваристи. Започвайки да разбираме какво представляват различните химикали и как те взаимодействат помежду си и с биологичните системи, би трябвало да помогне на акваристите да оценят по-добре какво се случва в техните аквариуми. Надяваме се, че това разбиране ще доведе от своя страна до по-добри практики за отглеждане на животни, както и до повече удоволствие от хобито на рифовия аквариум.
TODO: йод
*thanks Благодаря!