Hiểu về mối quan hệ giữa Canxi, Độ kiềm, Magie và pH theo cách đơn giản nhất

Các thông số hóa học quan trọng nhất trong bể cá rạn san hô là canxi và độ kiềm. Vì vậy, làm thế nào hiểu được cách mà các thông số này liên quan đến nhau thường khiến những người chơi cá cảnh san hô bối rối. Những mối quan hệ như vậy được hiểu rõ và mô tả bằng các thuật ngữ hóa học. Tuy nhiên, những mô tả này thường gây khó hiểu. Khi magiê và pH được đưa vào cuộc thảo luận, các mô tả về mối quan hệ thậm chí còn trở nên phức tạp hơn và nhiều người khó hiểu hơn.

Cũng khó chịu không kém, đó là cách mà các mối liên hệ như vậy đôi khi được mô tả bằng các thuật ngữ quá đơn giản. Thật không may, sự đơn giản hóa quá mức bất cẩn có thể dẫn đến những kết luận không chính xác. Ví dụ, ý tưởng đơn giản hóa rằng tổng lượng canxi và độ kiềm có thể ổn định trong nước biển có một giới hạn trên duy nhất có thể dẫn đến hiểu lầm. Ví dụ, tôi thường được hỏi những câu như:

"Tôi có thể tăng độ kiềm lên bao nhiêu trước khi bắt đầu kết tủa?" hoặc "Bộ dụng cụ thử nghiệm của tôi nói rằng canxi là 700 ppm. Điều đó là không thể, phải không?"

Tệ hơn nữa, những hiểu lầm như vậy có thể khiến một số người chơi cá cảnh từ bỏ việc cố gắng hiểu hóa chất diễn ra trong hồ của họ, khi những ý tưởng đơn giản hóa như vậy dẫn đến kết luận mà họ biết rõ ràng là sai theo kinh nghiệm của chính họ.

Bài viết này sẽ mô tả mối quan hệ giữa canxi, độ kiềm, magiê và độ pH theo những cách đơn giản, trực quan. Chúng bao gồm những hình ảnh rất đơn giản sẽ giúp những người chơi cá cảnh hiểu được các quá trình phức tạp đang diễn ra theo những cách mà hy vọng là có ý nghĩa và dễ dàng áp dụng cho các bể cá rạn san hô trong thế giới thực. Hơn nữa, mặc dù những bức tranh này có phần nào được đơn giản hóa, nhưng chúng vẫn “đúng” vốn có và vì vậy không khiến cho người chơi hiểu lầm.

Canxi

Calcium là một trong những ion chính trong nước biển. Nồng độ của nó trong nước biển tự nhiên là khoảng 420 ppm, vì vậy nó chiếm dưới 1.2% trọng lượng chất rắn của nước biển. Trong đại dương, những thay đổi nồng độ này có liên quan đến thay đổi về độ mặn, khiến canxi dao động giống như độ mặn. Một ion canxi mang hai điện tích dương trong nước biển và được viết là Ca 2+.

Canxi rất quan trọng trong bể cá rạn san hô vì nhiều sinh vật, bao gồm san hô và tảo san hô, hấp thụ nó để tạo nên bộ xương canxi cacbonat. Nếu nó không được duy trì ở mức thích hợp, những sinh vật như vậy sẽ bị căng thẳng và thậm chí có thể chết. Tôi khuyên những người chơi cá cảnh rạn san hô nên duy trì canxi ở mức 380-450 ppm.

Độ kiềm

Độ kiềm là một phép đo phức tạp. Nó không phải là một "thứ" trong nước. Nó thực sự là tổng của nhiều thứ, tất cả cùng nhau cung cấp một tính chất hóa học cụ thể. Lý do mà những người chơi cá cảnh đo độ kiềm là trong nước biển bình thường, phần lớn nó bao gồm bicacbonat và cacbonat. Bicacbonat (HCO3-) là thứ mà san hô hấp thụ và biến thành cacbonat (CO3-) để xây dựng bộ xương canxi cacbonat của chúng. Do đó, độ kiềm là dấu hiệu cho thấy có đủ bicarbonate trong nước hay không.

Độ kiềm từ bình thường đến cao có nghĩa là có đủ bicarbonate, trong khi độ kiềm thấp có nghĩa là nó có thể bị thiếu hụt. Trong trường hợp không có bất kỳ phương pháp bổ sung độ kiềm nào trong bể cá rạn san hô, nước có thể nhanh chóng cạn kiệt bicarbonate. Sự cạn kiệt độ kiềm từ mức bình thường đến mức không thể chấp nhận được có thể chỉ mất một hoặc hai ngày ở một số hồ có rạn san hô, mặc dù có thể lâu hơn ở hồ có nhu cầu cacbonat thấp hơn. Khi bicacbonat của nước cạn kiệt, san hô cần xây dựng canxi cacbonat có thể trở nên căng thẳngvà thậm chí chết. Tôi khuyên những người chơi cá cảnh rạn san hô nên duy trì độ kiềm ở mức 2.5-4 meq/L (7-11 dKH, tương đương canxi cacbonat 125-200 ppm).

Canxi cacbonat

Nhiều san hô, tảo coralline, và các sinh vật vôi hóa khác đòi hỏi cả canxi và kiềm (dưới dạng bicarbonate), cần phải đảm bảo rằng số lượng đầy đủ của các yếu tố này đầy đủ trong nước. Thật không may, có một xu hướng tự nhiên đối với phi sinh học là sự kết tủa canxi cacbonat không hòa tan khi các ion canxi và ion cacbonat kết hợp. Xu hướng kết tủa đóng một vai trò lớn trong mối quan hệ giữa canxi và kiềm trong hồ san hô.

Nước biển thực sự chứa nhiều canxi hơn so với cacbonat hoặc bicarbonate. Ngay cả khi tất cả các độ kiềm trong nước biển bình thường đã được loại bỏ bằng cách kết tủa canxi cacbonat, canxi sẽ giảm chỉ khoảng 50 ppm. Vì lý do này, độ kiềm thay đổi nhanh hơn và biên độ rộng hơn nhiều.

Độ hòa tan của chất rắn đơn giản

Trước khi thảo luận về tính hòa tan và kết tủa của một chất rắn phức tạp như canxi cacbonat, trước tiên hãy hiểu một trường hợp đơn giản hơn nhiều. Ví dụ, natri và các ion clorua kết hợp để tạo ra natri clorua rắn (muối ăn). Hãy tưởng tượng một khối nhỏ natri clorua rắn vào nước ngọt (Hình 1). Nó hòa tan khi các ion rời khỏi bề mặt của nó (Hình 2).

Hình 1. Sơ đồ của natri clorua trong nước. Các ion natri (đỏ) và các ion clorua (trắng) tạo thành một cấu trúc được sắp xếp rắn chắc.

Hình 2. Các ion rời khỏi bề mặt và đi vào trong nước (mũi tên hướng lên).

Quá trình này làm tăng số lượng ion trong nước. Mặc dù thực tế là khối rắn đang dần biến mất, tuy nhiên quá trình này không phải là một chiều. Ngoài các ion rời khỏi bề mặt của nó và đi vào dung dịch, các ion khác bám lại bề mặt khối rắn, do đó trở thành một phần của của hạt muối rắn (Hình 3).

Hình 3. Các ion liên tục bám và gắn vào bề mặt (mũi tên hướng xuống), ngoài những mũi tên đi lên như Hình 2.

Cuối cùng, một trong hai điều xảy ra: natri clorua rắn hòa tan hoàn toàn, chỉ còn lại các ion trong dung dịch, hoặc đạt trạng thái giới hạn bão hòa và không còn hòa tan nữa. Giới hạn hòa tan là gì (bão hòa)? Nói một cách đơn giản, đó là điểm chính trong đó tốc độ các ion bám lại trên natri clorua rắn và trở thành một phần của nó bằng với tốc độ các ion rời khỏi nó (Hình 4). Một hạt muối trong dung dịch natri clorua bão hòa có thể trông giống như vậy chỉ là như vậy, nhưng ở cấp độ phân tử có hiện trượng rất lớn lượng hoạt động, với nhiều ion rời đi bề mặt bằng nhiều ion bám lại trên nó.

Hình 4. Một chất rắn trong dung dịch bão hòa với các ion của nó có số lượng ion bám lại trên bề mặt (mũi tên hướng xuống) bằng những lượng ion hòa tan (mũi tên hướng lên ). Theo thời gian có thể có sự xáo trộn của các ion giữa bề mặt và nước, nhưng số lượng ion trong dung dịch không thay đổi.

Siêu bão hòa của một chất rắn đơn giản

Ví dụ được mô tả ở trên số lượng ion natri và clorua trong dung dịch về cơ bản giống nhau, bởi vì tất cả chúng đều đến từ natri clorua rắn, và bản thân chất rắn chỉ ổn định với số lượng bằng nhau ion natri và clorua còn lại trong đó. Nhưng sự bằng nhau đó không phải lúc nào cũng như vậy. Giả sử rằng chúng ta bắt đầu với dung dịch natri clorua bão hòa trong nước. Sau đó chúng ta tăng natri, nhưng không tăng clorua (chúng ta có thể có tăng cả hai, nhưng hãy tập trung vào một ion vào lúc này). Điều đó có thể được thực hiện bằng cách, ví dụ, hòa tan một số natri nitrat xuống nước, sẽ làm tăng tốc độ natri ion bám lại trên bề mặt natri clorua.

 Về bản chất, các ion natri có thể nhanh chóng chôn một ion clorua vào bề mặt, ngăn không cho nó "thoát" ( Hình 5 ). Theo cách này, tăng lượng ion trong cặp hòa tan có thể làm giảm nồng độ của ion còn lại.

Hình 5. Ở đây là các ion natri dư (đỏ) trong dung dịch và như chúng dính vào bề mặt, chúng cũng bẫy clorua các ion thành vòng tròn màu xanh.

Ví dụ, bằng cách bắt đầu với 10 đơn vị natri và 10 đơn vị clorua trong dung dịch ở độ bão hòa, sau đó thêm thêm năm đơn vị natri, kết quả sẽ là 15 đơn vị natri và 10 đơn vị clorua trở thành "siêu bão hòa". Tỷ lệ mà natri và clorua trên bề mặt lớn hơn tốc độ mà chúng hòa tan. Thời gian trôi qua, dung dịch sẽ ổn định lại (là trở về độ bão hòa) và sau đó, khoảng 2,2 đơn vị natri clorua đã kết tủa, để lại khoảng 12.8 đơn vị natri và 7,8 đơn vị clorua trong dung dịch.

Mặc dù những con số này thực sự chính xác, chúng như thế nào tính toán không quan trọng lắm. Tất cả những gì quan trọng cho một hiểu đơn giản là để biết rằng khi nước là siêu bão hòa, vì bất kỳ lý do gì, một số kết tủa có khả năng sẽ diễn ra. Điều quan trọng, nếu siêu bão hòa đạt được bằng cách thêm một trong các ion vượt quá, sau đó bão hòa chỉ có thể đạt được một lần nữa bằng cách giảm số lượng của cả hai các ion, vì kết tủa trên bề mặt không thể chỉ giới hạn ở các ion natri. Hiệu ứng này nhằm giải thích rằng, thêm natri đến dung dịch natri clorua bão hòa làm giảm lượng clorua có trong dung dịch.

Độ hòa tan của Canxi cacbonat

Hòa tan canxi cacbonat tương tự như độ hòa tan của natri clorua như đã thảo luận ở trên. Cụ thể, độ hòa tan được xác định bởi "bám lại" và "tan ra" tỷ lệ canxi và cacbonat. Hiệu ứng đó là lý do tại sao nồng độ canxi và kiềm trong nước biển là liên quan.

Một số tác động của độ hòa tan canxi cacbonat là rất nhiều phức tạp hơn natri clorua và những điều này được thảo luận trong các phần tiếp theo. Nhưng một số điểm quan trọng về điều này mối quan hệ nên được xem xét trước khi xét đến các tình huống phức tạp hơn. Ví dụ:

1. Nước biển bình thường (canxi = 420 ppm, pH = 8.2, độ kiềm = 2.5 meq / L (7 dKH) ) được siêu bão hòa đáng kể với canxi cacbonat. Tỷ lệ tại đó các ion canxi và cacbonat bám lại trên bề mặt canxi cacbonat trong nước biển cao hơn tốc độ tại mà nó tan ra (magiê thay đổi mối quan hệ này, như chi tiết trong phần sau).

2. Nếu nước chứa canxi và cacbonat dư thừa, sau đó có thể bắt đầu kết tủa thành canxi cacbonat, và nó có thể tiếp tục cho đến khi đạt được độ bão hòa. Nói cách khác, nếu (hoặc cả) canxi hoặc kiềm rất cao trong một hồ cá rạn san hô, kết tủa canxi cacbonat có thể làm giảm cả hai. Một lần nữa, magiê có xu hướng để thay đổi mối quan hệ này. Hiệu ứng này có thể được chứng minh bằng cách thêm cát canxi cacbonat tươi vào nước biển. Một điều rõ ràng là pH giảm khi canxi cacbonat được kết tủa. 

3. Càng nhiều ion canxi và cacbonat vượt quá mức "bão hòa" thì tốc độ kết tủa canxi cacbonat càng nhanh. Nói cách khác, "bám lại" càng vượt quá "tan ra" thì kết tủa có thể diễn ra càng nhanh.

4. Nếu nước ở dưới mức "bão hòa" đối với canxi và cacbonat, thì sẽ không có kết tủa ròng. Nói cách khác, nếu canxi hoặc độ kiềm rất thấp trong bể cá rạn san hô, thì việc tăng một hoặc cả hai lên mức tự nhiên sẽ không làm giảm ngay lập tức cái kia.

Canxi cacbonat và pH

Độ hòa tan của canxi cacbonat phụ thuộc rất nhiều vào pH. Độ pH càng thấp, canxi cacbonat càng dễ hòa tan. Lý do cho hiệu ứng này bắt nguồn từ cùng một loại phân tích mà chúng tôi đã thực hiện từ lâu: tốc độ "bật (bám lại)" và "tắt (tan ra)" của các ion canxi và cacbonat. Trong trường hợp này, hiệu ứng pH được điều khiển bởi sự thay đổi nồng độ cacbonat của dung dịch.

Bicacbonat và cacbonat là cả hai dạng của cùng một ion. Ở pH thấp hơn, dạng bicacbonat (HCO3-) chiếm ưu thế. Ở pH càng cao, càng tồn tại nhiều dạng cacbonat (CO3 2-) (Hình 6). Hiệu ứng này rất mạnh, trong đó mỗi 0,3 đơn vị pH giảm xuống dưới khoảng 9 sẽ làm giảm nồng độ cacbonat hai lần. Một đơn vị pH giảm đầy đủ tương ứng với việc giảm 10 lần nồng độ cacbonat.

pH 7.8                         pH 8.0                         pH 8.5                          pH 9.0 Hình 6. Biểu diễn bằng hình ảnh về số lượng tương đối của các ion bicacbonat (màu xanh lá cây) và cacbonat (màu đỏ) trong dung dịch dưới dạng hàm của pH. Khi độ pH tăng lên, một phần lớn hơn trong tổng số các ion hiện diện ở dạng cacbonat. Các con số tương đối trong các ảnh này phản ánh chính xác tỷ lệ của hai ion này ở các giá trị pH khác nhau (độ kiềm cũng tăng lên đôi chút giữa các ảnh này do một ion cacbonat cung cấp gấp đôi độ kiềm của một ion bicacbonat).

Vì vậy, khi độ pH thay đổi, lượng ion cacbonat trong dung dịch cũng thay đổi. Bởi vì chính nồng độ của các ion cacbonat thúc đẩy "tốc độ" của cacbonat (tốc độ cacbonat tiếp cận bề mặt), nên độ pH càng cao, cacbonat tiếp cận bề mặt càng nhanh. Điều đó có nghĩa là độ pH càng cao thì khả năng hòa tan của canxi cacbonat càng thấp.

Độ hòa tan thấp hơn ngụ ý rằng kết tủa canxi cacbonat có thể nhiều hơn ở pH cao hơn. Nói cách khác, khi độ pH tăng lên, lượng canxi và độ kiềm có thể được giữ trong dung dịch mà không bị kết tủa giảm đi.

Hiệu ứng này là lý do tại sao, ví dụ, tăng độ pH rất cao bằng nước vôi có thể nhanh chóng kết tủa canxi cacbonat. Điều này không nhất thiết là do nước vôi đã bổ sung nhiều canxi hoặc độ kiềm, mặc dù điều đó có thể đóng một vai trò nào đó, nhưng cũng bởi vì khi độ pH tăng lên, phần lớn bicacbonat hiện có trong nước được chuyển thành cacbonat, do đó nồng độ cacbonat tăng đột biến.

Ngược lại, độ pH giảm làm tăng lượng canxi và độ kiềm có thể được giữ trong dung dịch mà không có kết tủa. Hiệu ứng này là lý do tại sao, ví dụ, điều chỉnh độ pH xuống rất thấp bằng CO2 có thể hòa tan canxi cacbonat trong lò phản ứng canxi cacbonat/cacbon điôxít. Ở độ pH 6,5, lượng cacbonat ít hơn khoảng 50 lần so với trong cùng dung dịch ở pH 8,2, do đó "tốc độ" đối với các ion cacbonat giảm đi rất nhiều. Việc giảm "tốc độ" như vậy cho phép nhiều canxi cacbonat ròng hòa tan vào nước hơn trước khi đạt đến độ bão hòa, tại đó quá trình hòa tan dừng lại.

Hiệu ứng này cũng đưa ra một trong những điều khiến nhiều người chơi cá cảnh bối rối. Ở độ pH thấp (giả sử là 7.8), nồng độ canxi và độ kiềm cao hơn nhiều có thể được duy trì trong dung dịch so với ở độ pH cao hơn (giả sử là 8.5). Vì lý do này, những người chơi cá cảnh có hồ có độ pH thấp thường tuyên bố rằng họ không gặp vấn đề gì khi duy trì mức canxi và độ kiềm cao, và hiếm khi loại bỏ canxi cacbonat khỏi máy bơm của họ, trong khi những người chơi cá cảnh khác có độ pH cao hơn nhiều không hiểu tại sao họ không thể duy trì như vậy, điều kiện trong bể cá của họ, hoặc tại sao máy bơm của họ thường nhanh chóng bị tắc nghẽn. Ảnh hưởng của việc có nhiều cacbonat hơn ở độ pH cao hơn là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến sự khác biệt đó (điều khác là nhiều san hô có thể thực sự cần nhiều canxi và kiềm hơn ở độ pH cao hơn, vì chúng có thể vôi hóa nhanh hơn ở độ pH cao hơn). Theo dõi, đừng cho rằng độ pH thấp là tốt hơn vì nó cho phép duy trì canxi và độ kiềm dễ dàng hơn, đồng thời làm tắc nghẽn máy bơm chậm hơn. Nó cũng căng thẳng hơn đối với nhiều san hô bị vôi hóa đơn giản vì chúng khó bị vôi hóa hơn ở độ pH thấp hơn. Độ khó tăng lên là do chúng phải bơm ra một proton (H+) khi tạo cacbonat từ bicacbonat và độ pH càng thấp thì càng có nhiều H+ trong dung dịch và càng khó bơm ra lượng H+ bổ sung.

Canxi cacbonat và độ kiềm

Độ hòa tan của canxi cacbonat cũng phụ thuộc rất nhiều vào độ kiềm của nước. Độ kiềm càng cao (ở độ pH cố định) thì càng có nhiều cacbonat (Hình 7). Trên thực tế, lượng cacbonat hiện tại tỷ lệ thuận với độ kiềm. Vì vậy, ở độ kiềm 5 meq/L (14 dKH), lượng cacbonat gấp đôi so với trong nước biển tự nhiên có độ kiềm 2,5 meq/L (7 dKH).

5.6 dkH                            8.4 dkH                            11.2 dkH                                14 dkH Hình 7. Biểu diễn bằng hình ảnh của các ion bicacbonat (màu xanh lục) và cacbonat (màu đỏ) trong dung dịch dưới dạng hàm của độ kiềm. Khi độ kiềm tăng lên, cả bicacbonat và cacbonat đều tăng như nhau.

Lý do mà độ hòa tan canxi cacbonat thay đổi theo độ kiềm cũng giống như trong các phân tích khác trong bài viết này: tỷ lệ "bật" và "tắt" của các ion canxi và cacbonat. Trong trường hợp này, hiệu ứng kiềm được điều khiển bởi sự thay đổi nồng độ cacbonat của dung dịch.

Độ hòa tan canxi cacbonat thấp hơn ở độ kiềm cao hơn ngụ ý rằng lượng canxi cacbonat kết tủa có thể nhiều hơn. Nói cách khác, khi độ kiềm tăng lên, lượng canxi có thể được giữ trong dung dịch mà không bị kết tủa giảm xuống.

Hiệu ứng này là lý do tại sao, ví dụ, việc duy trì độ kiềm rất cao có thể dẫn đến lượng canxi cacbonat kết tủa quá mức trên các vật thể như lò sưởi và máy bơm. Tương tự như vậy, khi độ kiềm giảm, lượng canxi có thể được giữ trong dung dịch mà không kết tủa sẽ tăng lên.

Canxi cacbonat và Magie

Cuối cùng, chúng ta đến với vai trò của magie trong hệ thống canxi cacbonat. Đối với magie, việc diễn giải phức tạp hơn đáng kể so với pH và độ kiềm, nhưng chúng ta có thể tiếp tục phân tích tương tự để hiểu nó một cách định tính. Khi canxi cacbonat rắn được đưa vào nước biển, nó không chỉ trải qua các loại động lực "bật" và "tắt" như các ion canxi và cacbonat đã thảo luận ở trên. Các ion khác có thể đi vào cấu trúc tinh thể thay cho một trong hai ion này. Trong nước biển, các ion magie đi vào các tinh thể canxi cacbonat thay cho các ion canxi. Các ion stronti cũng có thể làm như vậy, nhưng số lượng của chúng thấp hơn nhiều so với magie (thấp hơn khoảng 600 lần) nên chúng ít có khả năng trở thành hợp nhất.

Hình 8 và 9 cho thấy cách magie trong dung dịch xâm nhập và thực sự đi vào một lớp bề mặt canxi cacbonat mỏng được đưa vào nước biển. Mặc dù bản thân magie cacbonat đủ hòa tan để nó không kết tủa từ nước biển thông thường, nhưng trong cấu trúc hỗn hợp canxi và magie cacbonat, độ hòa tan của nó thấp hơn. Vì vậy, canxi cacbonat rắn, tinh khiết (Hình 8) nhanh chóng được chuyển đổi thành vật liệu có lớp phủ canxi và magiê cacbonat (Hình 9).

Hình 8. Sơ đồ canxi cacbonat rắn tinh khiết được đưa vào dung dịch chứa canxi (màu trắng), cacbonat (màu đỏ) và magiê (màu đen).

Hình 9. Sơ đồ thể rắn canxi cacbonat trong dung dịch chứa canxi (màu trắng), cacbonat (màu đỏ) và magiê (màu đen). Các ion magie thay thế các ion canxi trong cấu trúc và thay đổi nó về mặt hóa học để nó không còn giống như canxi cacbonat trên bề mặt. Magiê thâm nhập một khoảng cách ngắn vào bề mặt, nhưng không thể xuyên qua toàn bộ cấu trúc.

Lớp phủ này có một số tác dụng rất quan trọng. Hiệu ứng chính là nó làm cho bề mặt không còn giống canxi cacbonat nữa, vì vậy các ion canxi và cacbonat bám trên bề mặt không còn hấp dẫn như trước nữa. Các ion magie đã thay đổi bề mặt theo cách không giữ canxi và cacbonat mạnh như vậy, và do đó, tỷ lệ "tắt" của bất kỳ ion canxi và cacbonat mới nào rơi xuống cao hơn (Hình 10). Do đó, ngay cả khi động lực để lắng đọng canxi cacbonat vẫn còn đó, thì magie đã cản trở và không cho phép điều đó xảy ra (hoặc ngăn không cho nó diễn ra nhanh chóng).

Hình 10. Các ion canxi và cacbonat đáp xuống bề mặt canxi cacbonat đã biến đổi magie không còn thấy nó hấp dẫn như bề mặt canxi cacbonat nguyên chất và không còn muốn dính với nó.

Mức độ magie bám vào bề mặt canxi cacbonat phụ thuộc rất nhiều vào lượng magie trong dung dịch. Càng có nhiều, nó càng xuất hiện nhiều trên bề mặt. Nếu magiê thấp hơn bình thường, thì nó có thể không xâm nhập đầy đủ vào các bề mặt canxi cacbonat đang phát triển, cho phép quá trình lắng đọng canxi cacbonat diễn ra nhanh hơn so với bình thường, có khả năng dẫn đến tăng kết tủa canxi cacbonat phi sinh học từ nước biển lên các vật thể như lò sưởi và máy bơm. Thường thì việc không thể duy trì đủ canxi và độ kiềm mặc dù đã bổ sung nhiều, và sự kết tủa một lượng đáng kể canxi cacbonat trên máy sưởi và máy bơm, là những dấu hiệu cho thấy nước không đủ magiê.

Tóm tắt các hiệu ứng hòa tan canxi cacbonat phi sinh học

Phần này tóm tắt nhiều ý tưởng được đề cập trong các phần trên và liên kết chúng lại với nhau để tạo thành một sự hiểu biết đầy đủ hơn.

1. Nước biển bình thường (canxi = 420 ppm, pH = 8,2, độ kiềm = 2,5 meq/L (7 dKH)) đã bão hòa đáng kể với canxi cacbonat. Tốc độ mà các ion canxi và cacbonat tiếp xúc bám lại trên bề mặt canxi cacbonat tinh khiết trong nước biển cao hơn tốc độ chúng rời khỏi bề mặt đó. Sự siêu bão hòa này tạo ra khả năng kết tủa canxi cacbonat.

2. Khả năng kết tủa được mô tả trong mục (1) ở trên là "chậm trễ", đôi khi là vô thời hạn, do magie xâm nhập vào cấu trúc tinh thể canxi cacbonat đang phát triển. Magiê làm thay đổi bề mặt, làm cho nó không còn giống canxi cacbonat nữa. Quá trình "đầu độc" bề mặt này làm chậm hoặc ngừng quá trình kết tủa canxi và cacbonat bổ sung trên bề mặt. Mức magiê thấp bất thường sẽ kém hiệu quả hơn trong việc ngăn chặn sự kết tủa của canxi cacbonat.

3. Càng nhiều canxi và cacbonat vượt quá mức "bão hòa" thì tốc độ kết tủa của canxi cacbonat càng nhanh. Nói cách khác, "tỷ lệ bật" càng vượt quá "tốc độ tắt" thì kết tủa có thể diễn ra càng nhanh. Nếu khả năng kết tủa nhanh tồn tại do điều kiện quá bão hòa rất cao, thì khả năng kết tủa như vậy sẽ lấn át khả năng ngăn cản của magie.

4. Các yếu tố dẫn đến độ siêu bão hòa cao hơn là canxi, độ kiềm và độ pH cao hơn. Ảnh hưởng của độ pH đặc biệt ấn tượng, với sự gia tăng 0,3 đơn vị pH tương đương với việc tăng gấp đôi lượng canxi hoặc độ kiềm xét về độ siêu bão hòa (hoặc xét về động lực tạo kết tủa). Hiệu ứng pH này là lý do tại sao sử dụng quá liều nước vôi có thể gây ra kết tủa canxi cacbonat và tại sao việc cho nước vôi vào skimmer hoặc hệ thống kín khác (chẳng hạn như cửa hút của máy bơm) có thể làm tăng kết tủa canxi cacbonat bên trong nó. Đó cũng là lý do tại sao việc giảm độ pH của nước trong lò phản ứng canxi cacbonat/cacbon điôxit có thể hòa tan môi trường canxi cacbonat.

5. Nếu nước ở dưới mức "bão hòa" đối với canxi và cacbonat, thì sẽ không có kết tủa ròng. Trong điều kiện nước biển bình thường, trên thực tế, khi nước đã quá bão hòa với canxi cacbonat, vẫn có ít kết tủa, phần lớn là do magiê trong nước biển. Do đó, nếu canxi hoặc độ kiềm thấp hơn "bình thường" trong bể cá rạn san hô, thì việc tăng cường (hoặc cả hai) canxi và độ kiềm lên mức tự nhiên sẽ không gây ra kết tủa canxi cacbonat nhanh chóng. Nói cách khác, việc thúc đẩy một cái trong những điều kiện này sẽ không gây ra sự suy giảm nhanh chóng trong cái kia.

6. Khi canxi cacbonat kết tủa, nó sử dụng một tỷ lệ canxi và cacbonat cố định (1:1, hoặc khoảng 20 ppm canxi cho mỗi 1 meq/L (2.8 dKH) độ kiềm). Tỷ lệ này giống như tỷ lệ san hô sử dụng để lắng đọng bộ xương canxi cacbonat của chúng. Sự kết tủa phi sinh học của canxi cacbonat, giống như sự hình thành bộ xương của san hô, có thể kết hợp các ion khác, chẳng hạn như magiê và stronti. Sự kết hợp đó sẽ làm giảm tỷ lệ trên từ 20 ppm canxi cho mỗi 1 meq/L độ kiềm xuống một giá trị thấp hơn một chút. Về lâu dài, quá trình này có thể làm cạn kiệt magie và stronti trong bể cá nếu chỉ bổ sung canxi và kiềm.

Tóm tắt về sự lắng đọng sinh học của canxi cacbonat

Tác động của san hô, tảo san hô và các sinh vật khác lắng đọng canxi cacbonat, trong khi không hoàn toàn giống với sự kết tủa canxi cacbonat phi sinh học, có một số thuộc tính tương tự đối với mối quan hệ qua lại giữa canxi, độ kiềm, pH và magiê. Một số trong số này là:

1. San hô và tảo san hô hầu như chỉ sử dụng canxi và độ kiềm để lắng đọng canxi cacbonat. Do đó, họ sử dụng một tỷ lệ cố định giữa canxi và độ kiềm, được điều chỉnh bởi tỷ lệ canxi và cacbonat trong canxi cacbonat (1:1). Mức tiêu thụ ròng là khoảng 18-20 ppm canxi cho mỗi 1 meq/L (2.8 dKH) độ kiềm. Lý do lượng canxi thay đổi là do sự kết hợp của magiê thay cho canxi thay đổi một chút từ loài này sang loài khác.

2. Thực tế là san hô và tảo san hô sử dụng một tỷ lệ cố định giữa canxi và độ kiềm cho phép các chất bổ sung được tạo ra phản ánh tỷ lệ chính xác này. Việc sử dụng một hệ thống phụ gia như vậy cho phép kết hợp chính xác chất bổ sung với nhu cầu và không gây ra sự thay đổi nhanh chóng về canxi hoặc độ kiềm so với nhau nếu các chất bổ sung không hoàn hảo. Các chất phụ gia cân bằng như vậy bao gồm canxi cacbonat/cacbon điôxít phản ứng, nước vôi/kalkwasser và chất bổ sung hai phần, trong số những chất khác.

3. Trong điều kiện nước biển tự nhiên (canxi = 420 ppm, pH = 8.2, độ kiềm = 2.5 meq/L (7 dKH)), nhiều loài san hô và tảo san hô được cho là bị hạn chế về tốc độ vôi hóa bởi độ kiềm của nước. Nếu nước có thêm bicacbonat (độ kiềm) thì quá trình hình thành canxi cacbonat có thể xảy ra nhanh hơn. Nói cách khác, nếu độ kiềm tăng lên trong bể cá rạn san hô, thì sự hình thành canxi cacbonat có thể làm giảm cả canxi và độ kiềm.

4. Nếu mức canxi của nước thấp hơn một ngưỡng nhất định (khoảng 360 ppm khi độ kiềm bình thường), thì nó có thể hạn chế sự hình thành xương canxi cacbonat của san hô. Trong tình huống này, việc tăng canxi lên mức tự nhiên hoặc cao hơn sẽ làm giảm độ kiềm theo thời gian vì san hô bắt đầu sử dụng canxi và độ kiềm với tốc độ nhanh hơn.

5. Nếu nồng độ canxi hoặc cacbonat quá thấp trong bể cá rạn san hô, thì san hô sẽ gặp khó khăn hơn trong việc lắng đọng bộ xương canxi cacbonat của chúng. Những điều kiện như vậy có thể gây căng thẳng hoặc thậm chí giết chết chúng. Trong điều kiện khắc nghiệt, bộ xương của chúng thậm chí có thể bị phân hủy. Những người chơi cá cảnh thường bỏ qua độ pH như một động lực lớn trong việc giảm nồng độ cacbonat. Ngay cả khi canxi và độ kiềm phù hợp với nồng độ nước biển bình thường, giá trị pH dưới khoảng 7.7 có thể cho phép các bộ xương aragonit hòa tan từ từ vì lượng cacbonat trong dung dịch quá thấp.

Bài viết bởi tác giả Khánh Phan - 11o2reef.com

Tài liệu tham khảo

Randy Holmes - Farley, avalable online at https://reefkeeping.com/issues/2006-06/rhf/index.php