钙、碱度、镁和pH值之间关系简述
——作者:Randy Holmes-Farley
礁岩缸中最重要的化学参数是钙和碱度,不幸的是,它们之间的关系常常困扰着鱼友。这种关系用化学术语是很好理解和描述的,并且在我以前的论文中用化学和数学等式进行了详细的介绍。然而这些介绍还是不能让那些不懂术语的鱼友满意,特别是再把镁和pH这两种因素加入后,它们之间的关系更为错综复杂,让很多人都无法轻易理解。
同样令人沮丧的是它们之间的关系有时又被描述得过于简单了。这样就很不幸的导致得到错误的结论。例如,钙和碱度在海水中维持稳定的总量有一个上限这种过于简单的描述会导致误解。又例如,常有人问我如下问题:“在钙沉淀开始前我能将碱度提高到多少?”或“我的钙检测下来是700ppm,这是不可能的,对不对?”
更糟糕的是,这种误解可能会导致一些鱼友放弃试图了解他们海缸中的化学进程,因为这些由于误解得到的结论显然与他们在实际经验中得到的结论相悖。
本文将以简单、直观的方式描述钙、碱度、镁和pH值之间的关系,通过浅显易懂的图片来帮助鱼友们理解海缸中发生的化学进程。此外,虽然这些图片是有点简化,但仍是正确无误的,所以不会导致鱼友的误解。
本文的章节最好依次阅读,因为它们是环环相扣的。它们是:
钙
碱度
碳酸钙
简单固体粒子的溶解度
简单固体粒子的过饱和现象
碳酸钙的溶解度
碳酸钙和pH值
碳酸钙和碱度
碳酸钙和镁
非生物性碳酸钙溶解度影响摘要
生物性碳酸钙沉淀摘要
扩展阅读
结论
钙
钙是海水中的主要离子之一。它在自然海水中的浓度约为420ppm,占海水中固体粒子总重量的1.2%不到。在海洋中,钙浓度的变化主要是由于盐度的变化引起的,随着盐度的高低而高低。海水中的一个钙离子携带两个正电荷,写作Ca++。
钙在礁岩缸中是十分重要的,因为很多的生物——包括珊瑚和钙藻——需要它来生成碳酸钙骨骼。如果不将钙浓度维持在充足的浓度,这些生物会感到不适应甚至死亡。我建议鱼友们将钙浓度维持在在380-450 ppm之间。
碱度
碱度是一个复杂的衡量单位,它描述的不是水中的某一种物质,而是很多物质的集合,它们共同作用形成的一种化学属性。鱼友们在海水中测量碱度的原因是,在海水中碱度主要由重碳酸盐和碳酸盐组成。重碳酸盐(HCO3-)被珊瑚吸收并转换为碳酸盐 (CO3--)用来生成它们的碳酸钙骨骼。因此,碱度反映了水中是否有足够的重碳酸盐。
碱度正常或偏高意味着含有充足的重碳酸盐,偏低则意味着重碳酸盐短缺。在礁岩缸中不使用任何补充碱度的手段,则水中的碱度将很快就被消耗光。在一些礁岩缸中,碱度从正常浓度降低到不能承受的水平只需要一到两天,尽管在另一些对碳酸盐的需求比较低的礁岩缸中会需要更长时间。当水中的重碳酸盐耗尽,那些需要进行碳酸钙骨骼沉积的珊瑚就会感到不适应甚至死亡。我建议鱼友们维持碱度在2.5-4 meq/L (7-11 dKH, 相当于125-200 ppm的碳酸钙)。
碳酸钙
因为许多的珊瑚、钙藻和其它钙化生物体需要钙和碱度(即重碳酸盐),所以有必要持续地确保它们在水中有足够的浓度。不幸的是,在水中的钙离子和碳酸根离子结合的同时,不能溶解的碳酸钙会造成一种非生物性沉淀的趋势。在礁岩缸中,这种沉淀的趋势在钙和碱度的关系中扮演着极其重要的角色。
海水中含有的钙远远大于碳酸盐或重碳酸盐,即使正常海水中的所有碱度都通过碳酸钙沉淀的方法来去除,钙也只会下降大约50ppm。基于这个原因,当我们在缸中添加过量或不足量的钙或碱度添加剂时,碱度的变化更为迅速和广泛。
简单固体粒子的溶解度
在我们讨论象碳酸钙这样复杂的固体粒子的溶解度和沉淀作用之前,让我们先来理解一种远为简单的情况。例如,钠和氯离子结合,成为固体氯化钠(食盐)。想象一下把一小块的固体氯化钠放到淡水中(图1)。它溶解为离子并离开其表面(图2)。