Randy Holmes-Farley: Ca, kH, Mg és pH közötti kölcsönhatásról egyszerűen

eredeti cikk: A Simplified Guide to the Relationship Between Calcium, Alkalinity, Magnesium and pH 
Randy Holmes-Farley angol nyelven írt cikkének fordítása, RHF engedélyével, 2017.09

 

A kalcium és karbonát keménység a tengeri akváriumok legfontosabb paraméterei közé tartoznak. Sajnos ezek kölcsönhatása gyakran zavarba hozza a tengeri akvaristákat. Ezen folyamatok kémiai oldalról megközelítve egyértelműek és jól értelmezettek, korábbi cikkekben ezeket matematikai és kémiai egyenletekkel részleteiben tárgyaltam. (megj: lásd RHF cikkeit a ’További olvasnivalók, referenciák’ részben)

Ez a megközelítés viszont sok akvarista számára nehezen érthető. Amikor a magnézium és kémhatás (pH) is bekerül, mint befolyásoló tényező, ezek kapcsolata még komplexebbé válik és még kevésbé érthető sokak számára. Még ennél is frusztrálóbb az a tény, hogy ezek kölcsönhatása gyakran túlegyszerűsítve van leírva, elmagyarázva. Sajnos a túlegyszerűsítés sokszor hibás következtetésekhez vezethet.

Például az a túlegyszerűsített gondolat, hogy a vízben stabilan beoldott kalcium es karbonát mennyiségnek létezik egy konkrét felső értéke, félreértésekhez vezethet. Gyakori kérdésként fogalmazódnak meg az alábbiak: “Hogy tudom a kH-t emelni, hogy ne csapódjon ki?”, vagy “Teszttel 700as kalciumot mértem. Ez lehetetlen, ugye?”. Ennél is rosszabb, hogy ezen félreértések oda vezetnek, hogy egyes akvaristák már meg sem próbálják megérteni az akváriumukban lezajló alap kémiai folyamatokat, mivel ezen egyszerűsített gondolatok olyan következtetésekhez vezetnek, melyeket gyakorlati tapasztalatok cáfolnak.

Ebben a cikkben a kalcium, karbonátok, magnézium és kémhatás kapcsolatáról lesz szó egyszerűen és intuitív módon. Néhány egyszerű ábrával illusztrálva próbál segíteni akvaristákkal megértetni az összetett folyamatokat, melyek ezáltal világossá válnak és gyakorlatban alkalmazhatóak a mindennapokban. Továbbá, habár ezen ábrák egyszerűsítve vannak, eredendően “helyesek”, és segítenek a folyamatok megértésében.

A cikkben szereplő részeket sorrendben javasolt olvasni, mivel egymásra épülnek. Az alábbiakról lesz szó:
• Kalcium
• Karbonát keménység
• Kalcium-karbonát
• Egyszerű szilárd anyagok oldhatósága
• Egyszerű szilárd anyagok túltelítettsége
• Kalcium-karbonát oldhatósága
• Kalcium-karbonát és pH
• Kalcium-karbonát és karbonát keménység
• Kalcium-karbonát és magnézium
• Összefoglaló az abiotikus kalcium-karbonát oldhatóságának hatásairól
• Összefoglaló a kalcium-karbonát biológiai lerakódásáról
• Záró gondolatok

 

Kalcium

A kalcium a tengervíz egyik legfontosabb ionja. Ennek koncentrációja a természetes tengervízben mintegy 420 ppm, ami a tengervízben oldott szilárd anyagok tömegének majd 1,2%-át alkotja. Az óceánban, ettől a koncentrációtól való eltérés leggyakrabban a sósűrűség változásával van összefüggésben, a sótartalom változásával a kalcium szint is ingadozik. A kalcium-ion két pozitív töltést hordoz és jelölése Ca++. A kalcium nagyon fontos korallos akváriumokban, mivel különféle szervezetek, mint például a korallok és mészalgák is felhasználják a kalcium-karbonát vázuk építéséhez. Ha ez nem áll rendelkezésre megfelelő mennyiségben, ezen organizmusok stressz hatásnak vannak kitéve, és akár el is pusztulhatnak. Javaslom a kalcium szintet 380-450 ppm közötti értéken tartani.

 

Karbonát keménység

A karbonát keménység egy összetett mérték, nem egy „dolog” a vízben. Ez valójában több dolog összegzése, melyek együttesen egy kémiai tulajdonságot képeznek. Annak, hogy akvaristák karbonát keménységet mérnek, az az oka, hogy a tengervízben a hidrogén-karbonát (bikarbonát) és karbonát dominál. A korallok hidrogén-karbonátot (HCO3-) vesznek fel a vízből, amit karbonáttá (CO3–) alakítanak a kalcium-karbonát vázuk építéséhez. Következésképpen, a karbonát keménység egy indikátor arra vonatkozóan, hogy a vízben van-e megfelelő hidrogén-karbonát vagy sem. Normál vagy magas karbonát keménység arra utal, hogy megfelelő hidrogén-karbonát áll rendelkezésre, míg ennek alacsony értékéből az következik, hogy nincs elegendő. Pótlás, adagolás hiányában, a tengeri akvárium vizében gyorsan bikarbonát hiány léphet fel. Az akut hiány akár egy-két nap alatt is felléphet bizonyos akváriumokban, de hosszabb időbe is telhet olyan akváriumok esetében ahol kisebb a karbonát igény. Amikor a vízben oldott hidrogén-karbonát kimerül, a mészvázat építő korallokat stressz éri és akár el is pusztulhatnak. A karbonát keménységet javaslom 2,5-4 meq/L szinten tartani (7-11 dKH, 125-200 ppm kalcium-karbonát ekvivalense).

 

Kalcium-karbonát

Mivel sok korall, mészalga és egyéb mészvázat építő organizmus igényli a kalciumot és karbonátokat (például hidrogén-karbonát), szükséges ezeknek a folyamatos, megfelelő mennyiségű biztosítása. Sajnos, van egy természetes tendencia az abiotikus (nem biológiai) kalcium-karbonát kicsapódás irányába, amikor is a kalcium ionok és karbonát ionok összeállnak, vízben oldhatatlan kalcium-karbonáttá. Tengeri akváriumokban ez a kicsapódási tendencia nagy szerepet játszik a kalcium és karbonát keménység kapcsolatában. A tengervíz lénylegesen sokkal több kalciumot tartalmaz, mint karbonátot vagy hidrogén-karbonátot. Ha a tengervízből a karbonátokat mind eltávolítanánk kicsapódott kalcium-karbonát formájában, a kalcium szint csupán mintegy 50 ppm-el csökkenne. Emiatt, százalékosan a karbonát keménység sokkal gyorsabban és nagyobb mértékben változik, mint a kalcium, mikor mindkettő alul- vagy túladagolt.

 

Egyszerű szilárd anyagok oldhatósága

Mielőtt rátérnénk a bonyolultabb szilárd anyagok (mint például a kalcium-karbonát) oldhatóságára és kicsapódására, először vizsgáljunk egy sokkal egyszerűbb esetet. Vegyük például a nátrium és a klorid ionokat, melyeknek kristályos vegyülete nátrium-kloridot alkot (konyhasó). Képzeljünk el egy kis darab nátrium-kloridot vízbe helyezve (1. ábra). Feloldódik, amint az ionok elhagyják a felszínét (2. ábra).

1 ábra. Egy egyszerű szilárd anyag vízben, például a nátrium-klorid. A nátriumionok (piros) és a kloridionok (fehérek) egy rendezett szerkezetet alkotnak a szilárd anyagban.

2 ábra. Egy diagram arról, hogy mi történik akkor, amikor egy egyszerű szilárd anyagot, például nátrium-kloridot (1. ábra) vízben oldunk. Az ionok elhagyják a felületet, és a vizes oldatba kerülnek (felfelé mutató nyilak).

Ebben a folyamatban a vízben levő ionok száma növekszik. Annak ellenére, hogy a szilárd só darab lassan eltűnik, molekuláris szinten a folyamatok nem egyirányúak. Amellett, hogy ionok elhagyják a sókristály felszínét, és oldatba kerülnek, más ionok az oldatból a szilárd felületre rakódnak, és ez által ennek részévé válnak (3. ábra).

3 ábra. Bármilyen oldatban lévő szilárd anyag esetében a felszínt elhagyó ionok mellett a kristály felületére folyamatosan rakódnak le ionok (lefelé mutató nyilak). A 2. ábra a felszabaduló ionokat szemlélteti, ez az ábra pedig a lerakódást illusztrálja.

Végül is, két dolog történhet: vagy az egész szilárd nátrium-klorid kristály feloldódik, és ez által csak beoldott ionok maradnak az oldatban, vagy pedig az oldat eléri az oldhatósági határt és több már nem oldódik fel benne. Mi az oldhatósági határ? Egyszerűen fogalmazva, ez az a pont, ahol az ionok lerakódásának mértéke pontosan megegyezik a felületet elhagyó ionok mértékével (4. ábra). Mivel az ionok lerakódási aránya függ az oldatban oldott ionok számától, így az oldhatósági határ az oldatban levő ionoknak azon koncentrációja, amelynél a „be sebesség” megegyezik a „ki sebességgel”. Egy darab só egy telített nátrium-klorid oldatban úgy tűnhet, mintha csak ott ülne, de molekuláris szinten intenzív aktivitás zajlik, ahol a felületet elhagyó nagy mennyiségű ionok száma megegyezik azon ionok számával, amelyek lerakódnak rajta.

4 ábra. Egy telített oldatban a felületre lerakódó ionok száma (lefele mutató nyilak) megegyezik a felületet elhagyó ionok számával (felfelé mutató nyilak). Idővel a felületen levő és a vízben oldott ionok keverednek, de az oldatban oldott ionok számossága nem változik.

 

Egyszerű szilárd anyagok túltelítettsége

A fent leírt példában, az oldatban levő nátrium és klorid ionok száma megegyezik, mivel ezek a kristályos nátrium-kloridból lettek beoldva, és mivel ez a szilárd anyag önmagában csak egyenlő számú nátrium és klorid ion esetében stabil. Viszont az oldatokban levő egyenlőség nem mindig áll fenn. Tegyük fel, hogy nátrium-klorid telített vizes oldatával indítunk. Ezután növeljük a nátrium ionok számát, de nem a kloridét (tudnánk mindkettőt növelni, viszont egyelőre csak erre összpontosítsunk). Ez például megvalósítható nátrium-nitrát vízbe oldásával, ami növelné a nátrium-ionok lerakódási sebességét a nátrium-klorid felületen. Ez a fajta aktivitás valószínűbbé teszi, hogy a felületre érkező klorid ionok is megtapadjanak. Lényegében, a nátrium-ionok gyorsan betemetik a felületre érkező klorid iont, ezáltal megakadályozzák, hogy „elmeneküljön” (5. ábra). Ezáltal a beoldott ion párból az egyik mennyiségének a növelése csökkentheti a másik koncentrációját, azáltal hogy szilárd lerakódásra, megkötésre készteti.

5 ábra. Ha az oldatban felesleges ionok vannak jelen, az oldat túltelített. Az ábrán az oldatban levő felesleges nátrium ionok (piros) láthatók, és amint a felületen landolnak, klorid ionokat is megkötnek (kékkel bekarikázott rész).

Példának, vegyünk egy 10 egység nátrium és 10 egység kloridot tartalmazó telített oldatot, majd ehhez adjunk további öt egység nátriumot (öt egység nitráttal együtt). Ebből az következik, hogy a 15 egység nátriumot és a 10 egység-kloridot tartalmazó oldat „túltelítetté” válik, azaz több ion van az oldatban, mint ami stabil. A nátrium és klorid ionok lerakódásának mértéke nagyobb lesz, mint a beoldódó, a felületet elhagyó ionok mértéke. Az idő múlásával, az oldatban levő ionok száma csökken, és az oldat újra stabillá válik (azaz telített állapotba kerül) miután körülbelül 2,2 egység nátrium-klorid kicsapódott. Így körülbelül 12,8 egység nátrium és 7,8 egység-klorid lesz az oldatban. Míg ezek a számok tényszerűen helyesek, hogyan számoltuk ki ez most lényegtelen. Ami számít, az egyszerűség kedvéért, hogy ha a víz túltelített, bármilyen okból, némi kicsapódásra valószínűleg sor fog kerülni, csökkentve ezzel az oldat koncentrációját, amíg újból a telítettséget eléri. Fontos, hogy ha a túltelítettséget az egyik ion hozzáadásával érjük el, a telítettséget csak mindkét ion számának csökkenésével lehet ismét elérni, mivel a felületre a kicsapódást nem lehet csupán nátrium ionokra korlátozni. Ez a hatás magyarázza, ha egy telített nátrium-klorid oldathoz nátriumot adunk, csökkenti a jelenlevő klorid mennyiséget.

 

Kalcium-karbonát oldhatósága

A kalcium-karbonát oldhatósága hasonlít a korábban tárgyalt nátrium-klorid oldhatóságához. Az oldhatóságot a kalcium és karbonát ionok “be” és “ki” aránya határozza meg. Mesterségesen növelve az egyik koncentrációját, kihatással van a másik felületi lerakódására. Ez a hatás azt jelenti, hogy tengervízben a kalcium és karbonát keménység összefügg. A kalcium-karbonát oldhatósága és ennek hatásai sokkal bonyolultabbak, mint a nátrium-kloridé.  Ezekről lesz szó a továbbiakban. Néhány fontosabb észrevétel erről a kölcsönhatásról, mielőtt a bonyolultabb tényezőket tárgyaljuk:

1. A természetes tengervíz (kalcium = 420 ppm, pH = 8,2, kH = 2,5 meq / L (7 dKH)) jelentősen túltelített kalciummal és karbonáttal. Vagyis a vízben már több van belőlük feloldva, mint ami hosszú távon stabil. A kalcium és a karbonát ionoknak a tiszta kalcium-karbonát felületre való lerakódási aránya magasabb mint a felületről távozó ionok száma (a magnézium megváltoztatja ezt a folyamatot, ez a későbbiekben részletezve).

2. Ha a víz felesleges kalciumot és karbonátot tartalmaz, akkor a kalcium-karbonát kicsapódása megkezdődhet, és a telítettség eléréséig folytatódhat. Más szavakkal, ha a kalciumból vagy karbonátból valamelyik (vagy mindkettő) nagyon magas a tengeri akváriumban, akkor a kalcium-karbonát kicsapódása mindkettőt csökkentheti. A magnézium hatással van erre a folyamatra. Ez a hatás megfigyelhető ha friss kalcium-karbonát zúzalékot öntünk az akváriumba. Amint a kalcium-karbonát kicsapódik a friss felületre a pH egyértelmű csökkenése figyelhető meg. A kalcium és kH csökkenése is megfigyelhető lenne, de a folyamat általában leáll (a magnézium jelenléte miatt), mielőtt ezek a változások oly mértékűek lennének, hogy hobbi tesztekkel kimutathatóak legyenek.

3. Minél több kalcium- és karbonát ion van jelen, mely meghaladja a “telítettséget”, annál gyorsabb a kalcium-karbonát kicsapódása. Más szóval, minél nagyobb a “be” és „ki” sebességének aránya, annál gyorsabb a kicsapódás.

4. Ha a vízben a kalcium vagy karbonát a “telítettségi szint” alatt van, akkor nem történik kicsapódás. Más szavakkal, ha a kalcium vagy a kH nagyon alacsony a tengeri akváriumban, akkor az egyik vagy mindkettőnek a természetes szintre emelése nem fogja azonnal csökkenteni a másikat.

 

Kalcium-karbonát és pH

A kalcium-karbonát oldhatósága erősen függ a pH-tól. Minél alacsonyabb a pH, annál jobban oldódik a kalcium-karbonát. Ennek hatása ugyanazzal a folyamattal magyarázható, mint amit a korábbiakban is elemeztünk: a kalcium és karbonát ionok “be” és “ki” arányai. Ebben az esetben, a pH hatását az oldat karbonát koncentrációjának változása eredményezi. A bikarbonát és a karbonát ugyanazon ion egy másik formája. Alacsonyabb pH-nál a bikarbonát (HCO3-) dominál. Magasabb pH-érték mellett egyre több létezik karbonát (CO3-) formában (6. ábra). Ez a hatás nagyon erős, mivel 9-es pH alatt, minden 0,3 pH-érték csökkenés, a karbonát koncentráció kétszeres csökkenését okozza. Egy teljes pH-érték csökkenés megegyezik a karbonát koncentráció tízszeres csökkenésével.

pH 7.8        pH 8.0        pH 8.5        pH 9.0

6 ábra. Az oldatban levő bikarbonát (zöld) és karbonát (piros) ionok relatív számának ábrázolása pH függvényében. Amint a pH emelkedik, az oldatban levő ionok egyre nagyobb része karbonát formában lesz jelen. Az ábrákon levő ionok relatív száma pontosan tükrözi e két ion különböző pH-értéken mért arányát (a karbonát keménység  szintén némiképpen emelkedik két kép között, mivel egyetlen karbonát ion kétszeres bikarbonátion lúgosságát biztosítja).

Tehát amint a pH-érték változik, a karbonát ionok mennyisége is változni fog az oldatban. Mivel a karbonát ionok koncentrációja vezérli a karbonát “be” sebességét (a karbonát ionok felszínen való lerakódásának üteme), így minél magasabb a pH, annál nagyobb a karbonát ionok felszíni lerakódása. Ez viszont azt jelenti, hogy minél magasabb a pH, annál alacsonyabb a kalcium-karbonát oldhatósága. Az alacsonyabb oldhatóság arra utal, hogy magasabb pH esetében a kalcium-karbonát kicsapódása nagyobb lehet. Más szavakkal, amint a pH emelkedik, csökken a kalcium és a karbonát mennyisége, amely kicsapódás nélkül az oldatban tartható. Ennek a hatásnak tudható be, hogy például ha meszes víz oldattal (limewater) nagyon megemelem a víz pH értékét, kalcium-karbonát kicsapódáshoz vezet. Ez nem feltétlenül azért van így, mert a meszes víz oldat nagy mennyiségű kalciumot vagy lúgot tartalmazott, habár ez is szerepet játszhat, de azért is, mert amint a pH emelkedik, a vízben lévő bikarbonát nagy része karbonáttá alakul át, így a karbonát koncentráció tüskésen megurik.

Ennek ellentettje, hogy a csökkenő pH-érték növeli azon kalcium és a karbonát ionok mennyiségét, amely oldatban tartható kicsapódás nélkül. Ennek a hatásnak köszönhető, hogy ha például szén-dioxiddal nagyon alacsonyra csökkentem a víz pH-értékét, a kalcium-karbonát feloldódik (kalcium reaktor). 6,5-ös pH mellett körülbelül 50-szer kevesebb karbonát van jelen, mint ugyanabban az oldatban 8,2-es pH értéknél, így a karbonát ionok “be” sebességének mértéke jelentősen csökken. A “be” sebességnek ilyen mértékű csökkentése azt eredményezi, hogy sokkal több kalcium-karbonát tud feloldódni, mielőtt a telítettségi szint beáll (ahol aztán az oldódási folyamat leáll).

Ez a hatás az egyik olyan tényező, amely sok akvaristát megtéveszt. Alacsony pH-érték mellett (mondjuk 7,8), az oldatban sokkal magasabb kalcium és kH koncentrációt lehet fenntartani, mint magasabb pH értéknél (mondjuk 8,5). Emiatt azon akvaristák, akiknek akváriumaikban alacsony a pH, gyakran azt állítják, hogy nem okoz gondot számukra magas kalcium és kH értékek fenntartása, és ritkán tapasztalnak kalcium-karbonát kicsapódást a szivattyúikon, míg más akvaristák, akiknek akváriumaikban sokkal magasabb a pH, nem értik, hogy miért nem képesek ilyen magas értékek fenntartása, vagy hogy a szivattyúik miért dugulnak el. Ennek a fő oka, hogy magasabb pH értéken több a karbonát (a másik pedig, hogy egyes korallok magasabb pH-n gyorsabban építik mészvázukat, így több kalciumot és kH-t fogyasztanak). Ebből viszont ne azt a következtetést vonjuk le, hogy az alacsony pH-érték jobb, mert könnyebb a kalcium és kH szinten tartása és mert a kalcium-karbonát kicsapódása lassabb. Ez a mészvázat építő korallok számára stresszesebb, mert alacsony pH mellett nehezebben kalcifikálnak. Ez a megnövekedett nehézség annak a ténynek tudható be, hogy egy protont (H+) kell kipumpálniuk amikor bikarbonátból karbonátot állítanak elő, és minél alacsonyabb a pH, annál több a H+ az oldatban, így annál nehezebb az extra H+ protont kipumpálniuk.

 

Kalcium-karbonát és karbonát keménység

A kalcium-karbonát oldhatósága erősen függ a víz karbonát keménységétől. Minél magasabb a karbonát keménység (meghatározott pH-nál), annál több karbonát van jelen (7. ábra). Valójában, a vízben lévő karbonát mennyisége közvetlenül arányos a karbonát keménységgel. Azaz 5 meq / L (14 dKH) karbonát keménységű vízben kétszer annyi karbonát van, mint a természetes tengervízben, amelynek karbonát keménysége 2,5 meq / L (7 dKH).

7. Ábra A vízben oldott bikarbonát (zöld) és a karbonát (piros) ionok ábrázolása kH függvényében. Ahogy a karbonát keménység emelkedik, mind a bikarbonát, mind a karbonát egyenlő mértékben emelkedik.

 

Az a tény, hogy a kalcium-karbonát oldhatósága karbonát keménység függvényében változik, ugyanazzal magyarázható, mint a jelen cikk korábbi megállapításai: a kalcium- és karbonát ionok “be” és “ki” aránya. Ebben az esetben a karbonát keménység hatását az oldat karbonát koncentrációjának megváltozása okozza.

Az alacsonyabb kalcium-karbonát oldhatóság magasabb karbonát keménység mellett azt jelenti, hogy a kalcium-karbonát kicsapódás intenzívebb lehet. Más szavakkal, ahogy a karbonát keménység nő, az oldatban csapadékmentesen tartható kalcium mennyisége csökken.

Ennek a hatásnak tudható be az, hogy például nagyon magas karbonát keménység fenntartása mellett kalcium-karbonát csapódik ki akváriumi tárgyakon, mint például melegítőkön és szivattyúkon. Ugyanakkor, ha karbonát keménység csökken, az oldatban csapadékmentesen tartható kalcium mennyisége megnő.

 

Kalcium-karbonát és magnézium

Végül eljutottunk a magnézium, kalcium-karbonát rendszerben betöltött szerepéhez. A magnézium szerepe érzékelhetően bonyolultabb, mint a pH és a karbonát keménységé, de ugyanazt az elemzést folytathatjuk megértés céljából. Amikor a szilárd kalcium-karbonátot tengervízbe helyezzük, nem csak a fent említett kalcium és karbonát ionok “be” és “ki” dinamikáján mennek keresztül. Ezen ionok helyett más ionok is bekerülhetnek a kristályszerkezetbe. Tengervízben magnézium ionok kerülnek be a kalcium-karbonát kristályba kalcium ionok helyett. Stroncium ionok is bekerülhetnek, de ezek száma jóval alacsonyabb mint a magnéziumé (kb. 600-szor kisebb), így kevésbé valószínű, hogy beépülnek.

A 8. és 9. ábrák azt mutatják be, hogy az oldatban található magnézium, hogyan kerül rá és bele a (egy) vékony réteg kalcium-karbonát felületre. Annak ellenére, hogy maga a magnézium-karbonát eléggé oldható ahhoz, hogy tengervízben ne csapódjon ki, egy kevert kalcium-karbonát és magnézium-karbonát szerkezetben az oldhatóság alacsonyabb. Így a szilárd, tiszta kalcium-karbonát (8. ábra) gyorsan átalakul és felületén egy vékony réteg kalcium-karbonát és magnézium-karbonát keverékéből álló bevonat képződik a felületén (9. ábra).

8. ábra: Szilárd, tiszta kalcium-karbonát, amikor kalciumot (fehér), karbonátot (vörös) és magnéziumot (fekete) tartalmazó oldatba helyezzük.

9 ábra: Kalcium (fehér), karbonát (piros) és magnézium (fekete) tartalmú oldatba helyezett szilárd kalcium-karbonát ábrája. A magnézium ionok a kalcium ionokat a vegyület struktúrájában behelyettesítik, és kémiailag úgy változtatják meg azt, hogy a felületen már nem kalcium-karbonátnak néz ki. A magnézium csak a felszín vékony rétegébe tud lerakódni, de nem képes behatolni a teljes szerkezetbe.

Ennek a bevonatnak nagyon fontos hatásai vannak. Az elsődleges hatása az, hogy a felület már nem kalcium-karbonátnak néz ki, így a felülettel érintkező kalcium és karbonát ionok számára már nem annyira vonzó a felszín, mint korábban. A magnézium ionok oly módon változtatják meg a felületet, hogy ez már nem tartja meg olyan erősen a kalciumot és a karbonátot, így az újonnan lerakodó kalcium és karbonát ionok “ki” aránya magasabb (10. ábra). Következésképpen, még ha a kalcium-karbonát lerakódásának feltételei fenn is állnak, a magnézium útban van és nem engedi meg, hogy ez megtörténjen (vagy megakadályozza, hogy ez olyan gyorsan történjen).

10. ábra: A magnéziummal módosított kalcium-karbonát felülettel érintkező kalcium és karbonát ionok számára már nem olyan kedvezőek a feltételek mint a tiszta kalcium-karbonát felület esetében, és nem rakódnak le rajta.

 

A kalcium-karbonátba beépülő magnézium mennyisége erősen függ az oldatban lévő magnézium mennyiségétől. Minél több van az oldatban, annál több épül be a felületekre. Ha a szokásosnál alacsonyabb a vízben oldott magnézium, akkor a képződő kalcium-karbonátba is kevesebb épül be, ezáltal felgyorsulhat a kalcium-karbonát képződés, ami potenciálisan a kalcium-karbonát abiotikus kicsapódásához vezethet különböző felületeken, mint például melegítők és szivattyúk. Gyakran az alacsony magnézium szintre vezethető vissza az, hogy megfelelő adagolás mellett sem sikerül a kalcium és karbonát keménységet a megfelelő szintre emelni, illetve hogy jelentős kalcium-karbonát kicsapódás mutatkozik melegítőkön és áramoltatókon, szivattyúkon.

 

Összefoglaló az abiotikus kalcium-karbonát oldhatóságának hatásairól

Az alábbi rész összefoglalja a korábbi fejezetekben szereplő gondolatokat, és összefoglalva azokat egy átfogóbb képet próbál adni.

1. A normál tengervíz (kalcium = 420 ppm, pH = 8,2, karbonát = 2,5 meq / L (7 dKH)) jelentősen túltelített kalcium-karbonáttal. Azaz, sokkal több ion található az oldatban (valójában többszörösen több), mint ami hosszú távon stabil lenne. Az a sebesség, amellyel a tengervízben levő kalcium és karbonát ionok a tiszta kalcium-karbonát felületre lerakódnak, meghaladja azt a sebességet, amellyel ezek elhagyják a felületet. Ez a túltelítettség a kalcium-karbonát kicsapódásának lehetőségét teremti meg.
2. A kalcium-karbonát kristályszerkezetbe épülő magnézium az (1) pontban leírt potenciális kicsapódást “késlelteti”, esetenként meg is állítja azt. A magnézium megváltoztatja a felületet, így az már nem kalcium-karbonátnak látszik. Ezen felület “mérgezése” lelassítja, avagy megállítja a további kalcium és karbonát kicsapódást. A rendellenesen alacsony magnéziumszint kevésbé lesz hatásos a kalcium-karbonát kicsapódásának megelőzésére.
3. Minél több kalcium és karbonát van jelen a “telítettségi” szint felett, annál nagyobb a kalcium-karbonát kicsapódásának lehetősége. Más szavakkal, minél jobban haladja meg a “on rate” az “off rate” -et, annál gyorsabban történhet meg a kicsapódás. Ha igen nagy túltelítettség miatt fennáll a gyors kicsapódás lehetősége, annál valószínűbb, hogy a kicsapódás felülkerekedik a magnézium blokkoló hatásán.
4. A magasabb túltelítettséget befolyásoló tényezők: a magas kalcium, karbonát és pH értékek. A pH hatása különösen drámai, egy 0,3-as pH-érték növekedés egyenértékű a kalcium vagy a lúgosság megduplázódásával a túltelítettség szempontjából (a kicsapódást befolyásoló tényezők tekintetében). Ennek a pH-hatásnak köszönhető, hogy meszesvíz túladagolása kalcium-karbonát kicsapódást okozhat, és hogy meszesvíz adagolása a lehabzóba vagy egyéb zárt rendszerbe (vagy akár szivattyú és áramoltató szívó része), növelheti a kalcium-karbonát kicsapódását ezeken belül. Ugyanennek a hatásnak tudható be az is, hogy a kalcium reaktorban levő alacsony pH-értékű víz képes feloldani a benne levő kalcium-karbonátot (mészkövet).
5. Ha a víz a “telítettségi szint” alatt van kalcium és karbonát tekintetében, akkor a kicsapódás nem fog megtörténni. A természetes tengervíz körülményei között, ahol a víz valójában kalcium karbonáttal túltelített, még mindig kevés kicsapódás történik, nagyrészt a tengervízben lévő magnézium miatt. Következésképpen, ha a tengeri akváriumban a kalcium vagy a karbonát keménység alacsonyabb mint a “normál” érték, akkor a kalcium és a karbonát (vagy mindkettőnek) a természetes tengervíz értékeire való emelése nem eredményez kalcium-karbonát kicsapódást. Más szavakkal, ilyen körülmények között az egyik érték emelése, nem okozza a másik gyors csökkenését.
6. Amikor a kalcium-karbonát kicsapódik, fix arányú kalciumot és karbonátot köt meg (1:1, vagy kb. 20 ppm kalciumot felhasználva 1 meq/l (2,8 dKH) karbonátra). Ez az arány megegyezik a kőkorallok által felhasznált mennyiséggel amit mészvázaik építéséhez használnak. A kalcium-karbonát abiotikus kicsapódása, ugyanúgy mint a korallvázak esetében, tartalmazhat más ionokat is, például magnéziumot és stronciumot. Az egyéb ionok beépítése a kalcium-karbonát struktúrába csökkenti valamelyest a fent említett 1:1 arányt. Ha egy akváriumban csak a kalciumot és karbonátot pótoljuk, hosszú távon ez a folyamat kimerítheti a magnéziumot és a stronciumot.

 

Összefoglaló a kalcium-karbonát biológiai lerakódásáról

A kalcium-karbonátot megkötő korallok, mészalgák és egyéb organizmusokra vonatkozva a kalcium, karbonát keménység, pH és a magnézium közötti kölcsönhatások jellemzően hasonló tulajdonságokkal bírnak, bár nem ugyanaz minden esetben, mint a kalcium-karbonát abiotikus lerakódása esetén. Ezek közül néhány:

1. A korallok és mészalgák a kalciumot és karbonátot szinte kizárólag kalcium-karbonát építésére használják fel. Ebből adódóan fix arányú kalciumot és karbonátot kötnek meg, amely nem más mint a kalcium és karbonát aránya a kalcium-karbonátban (1:1). A nettó arány körülbelül 18-20 ppm kalcium minden 1 meq/l (2,8 dKH) karbonátra. A kalcium mennyiség különbségének oka, hogy a magnézium beépülése a kalcium helyére fajonként változik.
2. Az a tény, hogy korallok és mészalgák a kalcium és karbonát fix arányát kötik meg, lehetővé teszi olyan módszert alkalmazni ezek pótlására, mely ezt az arányt követi. Az ilyen adalékrendszer használatával a pótlást pontosan hozzá lehet igazítani a fogyáshoz, ami nem eredményez ingadozást a kalcium és karbonát egymáshoz viszonyított aranyában. Ilyen kiegyensúlyozott adalékok közé tartoznak többek között a kalcium reaktorok, a meszesvíz (kalkwasser) és a kétrészes kiegészítők (avagy balling).
3. Általános vélemény, hogy természetes tengervíz értékek mellett (kalcium = 420 ppm, pH = 8,2, karbonát = 2,5 meq / L (7 dKH)), sok korall és mészalga kalcifikációs sebességét a víz karbonát szintje korlátozza. Ha a normál értéknél magasabb a vízben oldott bikarbonát, akkor a kalcium-karbonát lerakódása begyorsulhat. Más szavakkal, ha a tengeri akvárium karbonát keménységét emeljük, akkor ebből adódóan a kalcium-karbonát lerakódása következtében a kalcium és karbonát keménység szintje is csökkenhet.
4. Ha a víz kalciumszintje egy bizonyos küszöb alatt van (kb. 360 ppm kalcium, normál karbonát keménység mellett), akkor ez korlátozhatja a korallok kalcium-karbonát vázépítését. Ebben az esetben a kalcium természetes vagy ennél magasabb szintre emelése idővel kiváltja a karbonát szint csökkenését, mivel a korallok gyorsabban kezdik felhasználni kalciumot és a karbonátot.
5. Ha a tengeri akváriumban a kalcium vagy karbonát koncentráció túl alacsony, a korallok számára nehezebb a kalcium-karbonát vázépítés. Az ilyen körülmények stresszelik, vagy akár el is pusztíthatják őket. Szélsőséges körülmények között a mészvázaik akár fel is oldódhatnak. A karbonát koncentráció csökkenés tényezői közül akvaristák gyakran figyelmen kívül hagyták a pH-t. A normál tengervíz koncentrációk mellett is a 7.7 alatti pH érték lehetővé teszi, hogy a mészváz lassan feloldódjon, mivel az oldatban a karbonát mennyisége annyira alacsony.

 

Záró gondolatok

A kalcium és karbonátok szorosan összefüggnek a tengeri akváriumban. Ezt a kapcsolatot elsősorban az okozza, hogy ezekből áll össze a kalcium-karbonát. A kalcium-karbonát kialakulhat élőlények részeként, mint vázak, héjak vagy egyéb mészvázas struktúrák, illetve abiotikusan kicsapódhat tárgyakra, például melegítőkre és áramoltatókra/szivattyúkra. A kalcium-karbonát bármely módon való kialakulása a kalcium és karbonát megközelítőleg fix arányát használja fel, ami lehetővé teszi akvaristák számára, hogy olyan stratégiákat dolgozzanak ki, mely ezeket együtt, ebben az arányban pótolják.

Akvaristák úgy is gondolkodhatnak a kalcium, karbonát keménység, pH és a magnézium közötti összefüggésre, mint az oldatban levő kalcium és a karbonát ionokat befolyásoló tényezők, melyekből a kalcium-karbonát képződik. Magas kalcium vagy karbonát szint növeli a kalcium-karbonát kicsapódásának valószínűségét. Ez akkor történik, amikor a kalcium-karbonát felszínén több a lerakódó ionok száma, mint az arról leváló, beoldódó ionoké. Ezen megemelkedett értékek származhatnak nyilvánvaló okokból, mint például a kalcium vagy karbonát keménység növelése, vagy kevésbé nyilvánvaló okból, mint például a pH érték emelkedéséből adódóan.

Ezenkívül a magnézium hatással van arra, hogy azon kalcium és karbonát ionok, melyek „megpróbálnak” kalcium-karbonáttá kapcsolódni, milyen hatékonyan tudják ezt megtenni. Ezt úgy befolyásolja, hogy a felületi kalcium-karbonát rétegbe beépülve megváltoztatja ennek struktúráját, így ez a további kalcium és karbonát ionok számára kevésbé lesz befogadó.

Ezeknek a mechanizmusoknak a megértése segítheti az akvaristákat, hogy valós élethelyzeteket helyesen értelmezzenek és megfelelően cselekedjenek, a problémákat megfelelően kezeljék. Ezek közé tartozik a kalcium és a karbonát keménység megfelelő szinten tartása, a szivattyúk eltömődésének megakadályozása, csökkentsék a homokágyak összecementálódásának valószínűségét, kerüljék el a masszív kalcium-karbonát kicsapódásokat és biztosítsák a korallok és más szervezetek számára a megfelelő körülményeket.