Bufory pH w akwarium

Bufory pH w akwarium utrzymują równowagę

Wśród akwarystów, w zależności od stopnia ich zaawansowania, daje się zauważyć tendencje do mniejszej lub większej ingerencji w skład chemiczny wody znajdującej się w akwarium. O ile w zależności od potrzeb parametry te można i często nawet trzeba korygować, o tyle są wśród nich związki, których obecność jest niezbędna i całkowite pozbycie się ich jest nierozsądne. By udowodnić, że nie każdy bohater nosi pelerynę, dziś poznamy zalety wodorowęglanów, należących do związków buforowych.

Trochę teorii

Wodorowęglany odgrywają znaczącą i dwojaką rolę w każdym zbiorniku wodnym. Aby wyjaśnić oba zjawiska, zacznijmy od teorii. Wodorowęglany to wodorosole kwasu węglowego. Z kwasem węglowym (H2CO3) spotyka się każdy na co dzień. Powstaje on na skutek połączenia się dwutlenku węgla (CO2) z wodą (H2O).

CO2 + H2O ↔ H2CO3

Kwas węglowy jest związkiem bardzo nietrwałym. Na skutek np. zmniejszenia ciśnienia lub zmiany temperatury bardzo szybko się rozkłada (efekt bąbelków po odkręceniu butelki z wodą gazowaną). Dysocjacja (rozpad) kwasu zawsze jest stopniowy. Tutaj zachodzi w środowisku wodnym, stąd zawsze w równaniu obecna jest cząsteczka wody.

H2CO3 + H2O ↔ H3O+ + HCO3 powstaje jon wodorowęglanowy

HCO3+ H2O ↔ H3O+ + CO32- powstaje jon węglanowy

W każdym z powyższych równań występuje H3O+. Jest to kation oksoniowy, połączenie H+ i H2O. Tytułem wstępu przypomnijmy, iż skala pH wiele dekad temu została ustalona w zakresie 0-14, chociaż obecnie bez problemu można znaleźć związki np. o pH = -2.

Za odczyn kwasowy lub zasadowy odpowiadają jony H+ i OH. Im więcej jonów H+, tym środowisko jest bardziej kwasowe. I odwrotnie, im więcej OH tym pH wyższe (środowisko zasadowe). Oczywiste jest zatem stwierdzenie, iż ilość H+ i OH istnieją w ścisłej korelacji, a wyrównanie ich ilości oznacza pH=7 (neutralne).

Wodorowęglany są wśród akwarystów powszechnie znane jako twardość przemijająca (KH) i tylko w tej kwestii rozważane. W jednym akwarium znajdziemy ich więcej, w innym mniej. Ze względu na swoją stałą obecność w wodzie i budowę chemiczną, są dla roślin nieocenionym źródłem dwutlenku węgla (CO2), o czym pisałem w artykule Osady wapienne – powód do niepokoju czy tylko skaza wizualna? . Dlatego dziś skupimy się wyłącznie na ważnej korzyści z ich obecności w wodzie, jaką jest stabilizacja pH.

Stabilizacja pH wody

Większość osób zastanawiając się nad korektą kwasowości myśli o zastosowaniu kwasów (zwiększenie ilości jonów H+) lub zasad (zwiększenie ilości OH). O ile jest to działanie, wydawać by się mogło, najbardziej logiczne, o tyle wpływanie na zamknięte środowisko, jakim jest akwarium, w sposób nagły i drastyczny może przynieść więcej szkody niż pożytku.

Należy zdawać sobie sprawę, iż kwasowość (pH) to nie temperatura. Wzrost czy spadek temperatury wody o 1 stopień ma niewielki wpływ na życie fauny i flory akwarium. W definicji pH zastosowanie ma wyłącznie logarytm dziesiętny. Oznacza to, że korekta pH o 1, np. z pH=6,5 na pH=7,5 to zgodnie z definicją zmiana o cały rząd wielkości!

Wyobraźmy sobie następującą sytuację: stoimy pośrodku łąki. Jest piękna, słoneczna pogoda, 20⁰C. Idealnie, neutralnie, jak w akwarium o pH=7. Nagle pogoda się zmienia. Temperatura spada 10-krotnie, do 2⁰C. Nie zdążyliśmy się do tego przygotować. Nadal stoimy w krótkim rękawie i pytamy „gdzie podziała się idealna pogoda?”. Otóż właśnie kwasowość w zbiorniku spadła do pH=6. Teoretyczna zmiana o 1 punkt, w praktyce jest wielką przepaścią.

Jaki efekt uzyskujemy w akwarium? Ryby pływają przy powierzchni, mają silnie zaczerwienione skrzela, oddychają z trudem. Nieostrożny i początkujący akwarysta postanawia dla ratowania sytuacji zastosować preparat podnoszący pH, ale na opakowaniu producent nie napisał, ile go stosować. Nic w tym dziwnego, bowiem żaden producent nie może przewidzieć, o ile akwarysta będzie chciał skorygować parametr. Należy to robić ostrożnie i sytuację ściśle kontrolować testem.
Co się stanie, gdy przesadzimy? Załóżmy, że pH wzrasta z 6,0 do 8,0. Temperatura na łące w momencie wzrosła z 2⁰C do 40⁰C. U człowieka tak nagłe wahania temperatur wywołają spadek odporności i grypę lub przeziębienie. Środowiskiem życia ryb jest woda i w tej sytuacji wywołane zostanie wiele negatywnych następstw nieostrożnego działania.

Sytuacje takie zdarzają się również w jeziorach i rzekach. Przykładowo: rozkładająca się materia organiczna obniża pH, intensywna fotosynteza je podwyższa. Natura wykształciła zatem mechanizmy, które w pewnym zakresie zapobiegają takim wahaniom. Z pomocą przybywają wodorowęglany.

Buforujące działanie wodorowęglanów

W obecności mocnych kwasów i zasad wchodzą z nimi w reakcje, które prowadzą do ich zobojętnienia (neutralizacji). Co istotne, do reakcji zarówno z kwasem jak i zasadą wystarcza tylko jeden związek.

Schemat takiej reakcji jest zawsze identyczny i wygląda następująco:

Wodorowęglan + kwas/zasada → cząsteczka obojętna (osad, gaz) + sól + woda

Ca(HCO3)2 + 2HCl → 2CO2↑ + CaCl2 + 2H2O (cząsteczka CO2 „ucieka” do atmosfery lub jest wykorzystywana przez rośliny w akwarium)

Ca(HCO3)2 + NaOH → CaCO3↓ + Na2CO3 + 2 H2O (CaCO3 to osad, bardzo słabo rozpuszczalny w wodzie)

Szczególną uwagę należy zwrócić na to, iż pomimo uczestnictwa w reakcji silnych kwasów i zasad w efekcie nie powstają tam jony H+ oraz OH od których zależy odczyn (pH) wody. Jony te, pochodzące w powyższych reakcjach od HCl (silnego kwasu) i NaOH (silnej zasady) są natychmiast neutralizowane dzięki obecności wodorowęglanów. Jest to wyjątkowa sprawa i natura tym mechanizmem uratowała nie jeden zbiornik początkującego akwarysty.

Gdy w wodzie brakuje wodorowęglanów…

Skoro związki buforowe istnieją, czemu w przytoczonej na wstępie historii pH nagle spadło i nagle wzrosło? Każdy domowy zbiornik posiada  tzw. „pojemność buforową”. Oznacza ona tyle, iż rozpuszczone w wodzie wodorowęglany istnieją tam w pewnej ilości, a zatem są zdolne do zneutralizowania określonej liczby cząsteczek kwasu. Po wykorzystaniu wszystkich wodorowęglanów nic już nie powstrzymuje kwasów lub zasad od drastycznego wpływania na środowisko. Z tego powodu trzeba także dwojako rozważać obniżanie pH zbiornika, bo to ten proces powoduje najwięcej problemów wśród akwarystów. Wlewamy wiele kropli do zbiornika, robimy kilka lub kilkanaście testów, a kwasowość nie spada. Ile osób postanowiło wtedy wlać preparatu „na oko” chcąc ułatwić sobie życie? W taki sposób powstała ta historia.

Skutki stosowania kwasu fosforowego w akwarium

Na koniec mała dygresja: Jak to się dzieje, że często w akwarium ze stale obniżanym przy pomocy kwasów pH po pewnym czasie obserwujemy plagę glonów? Skąd ten efekt?

W akwarystyce obecnie odchodzi się od stosowania najprostszego kwasu do korekty kwasowości, czyli kwasu chlorowodorowego (HCl). Jego miejsce u większości producentów zajął kwas fosforowy(V), popularnie zwany ortofosforowym, o wzorze H3PO4. Jest to silny kwas utleniający, ale dzięki obecności fosforu w składzie, efekt jego działania może stać się przyswajalny przez rośliny akwariowe. Część z nas dolewa przecież do zbiorników nawozów z fosforem w składzie. Rozpatrzmy ten przykład podstawiając powyższy kwas pod pokazane wcześniej równanie:

3Ca(HCO3)2 + 2H3PO4 → 6CO2↑ + Ca3(PO4)2↓ + 6H2O

W wyniku powyższej reakcji powstaje bardzo trudno rozpuszczalny Ca3(PO4)2. Jeżeli jakiś związek strąca nam się w akwarium w formie osadu, zaczyna się kumulować w żwirze, filtrze i innych materiałach obecnych w wodzie. Oznacza to dla nas tyle, iż posiadamy od teraz gotowy magazyn fosforu, który będzie stale obecny w zbiorniku. Stopniowo, przy udziale roślin i bakterii, związek ten przejdzie w bardziej rozpuszczalne formy i zacznie się intensywnie wydostawać do wody. Fosfor dostarczamy także częściowo z wodą kranową, a dużym jego źródłem jest pokarm dla ryb (o ile w drodze produkcji nie został go pozbawiony). Jeżeli weźmiemy pod uwagę wszystkie powyższe informacje, zaczynamy zdawać sobie sprawę, czemu przy ingerencji w pH zbiornika dostępnymi na rynku preparatami każdy z nas zmierzył się w pewnym momencie z plagą glonów lub nawet cyjanobakterii. Silne, stopniowe zwiększanie stężenia fosforu (kumulowanie) w wodzie jest tego efektem. Stworzyliśmy sobie swego rodzaju bombę o opóźnionym zapłonie.

Kontrola stężenia fosforu w wodzie, zastosowanie sorbentów czy koagulantów, a także bezpieczne obniżanie pH to temat na zupełnie inny artykuł i nie będę go na tę chwilę poruszać.

Wiedza to podstawa

Powyższe rozważania pokazują, iż znajomość podstawowych pojęć z zakresu chemii wody pozwala  wpłynąć na jeden z najważniejszych parametrów, jakim jest kwasowość (pH) przy jednoczesnym utrzymywaniu w ryzach warunków, które są idealnym polem do nadmiernego wzrostu glonów. Pamiętać należy, aby rozwiązując napotkany problem zawsze być przygotowanym na bliższe lub dalsze konsekwencje naszych czynów. Zawsze powtarzam, iż „największym zagrożeniem dla akwarium jest sam akwarysta”. Mamy możliwości, mamy problemy, ale wszystko róbmy z głową, przewidujmy, zapobiegajmy. Tylko taki obrót spraw pozwoli nam się cieszyć najbardziej fascynującym hobby, jakim jest akwarystyka. I z tą myślą Państwa dziś zostawiam.

Michał Wyskiel

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *