Odczyn pH wody

Odczyn pH wody

„Na początku był wodór” – ten najprostszy pierwiastek chemiczny zapoczątkował powstawanie wszechświata i nadal jako jednowartościowy atom składający się z jądra o jednym protonie (elektro dodatni) i jednym neutronie (cząsteczka obojętna elektrycznie) oraz krążącego po zewnętrznej orbicie elektronu (ładunek ujemny) ma fundamentalne znaczenie we wszystkich procesach życiowych flory i fauny.
Wodór w roztworach wodnych dzięki swoim możliwościom stosunkowo łatwego oddawania elektronu (przyjmuje wówczas ładunek dodatni H+ ) oraz przyjmowania na powrót wolnych elektronów zapoczątkowuje najprostsze reakcje chemiczne prowadzące do zmian pH oraz do powstawania bardzo skomplikowanych związków organicznych.
W uproszczeniu to właśnie ilość wodoru a ściślej niezwiązanych jonów H+, czyli atomów pozbawionych elektronu obecnych w wodzie określa współczynnik pH.
W rzeczywistości określenie współczynnika pH rozpatruje się nieco inaczej;
H+ jako kation wodorowy jest zawsze uwodniony, czyli związany z cząsteczka wody dając jon H3O+ nazywany jonem hydroniowym; H3O+ = H2O + jon H+. Równanie to pozwoli zrozumieć bardziej skomplikowane reakcje chemiczne opisane w dalszych rozdziałach.
W akwarium bezustannie zachodzą niezliczone i powiązane ze sobą procesy chemiczne, biochemiczne, biologiczne i fizyczne, podczas których jony wodorowe są wiązane lub oddawane do otoczenia w wyniku, czego współczynnik pH ulega zmianom. Zakres tych zmian uzależniony jest od czynników zewnętrznych takich jak temperatura, oświetlenie, przewietrzanie wody oraz przede wszystkim od wewnętrznej równowagi biologicznej akwarium.
W naturalnych zbiornikach wodnych zasiedlonych przez rośliny pH ulega niewielkim zmianom dobowym związanym z oddychaniem roślin i pobieraniem soli mineralnych oraz znacznie większym zmianom pH w poszczególnych porach roku, co z kolei wiąże się ze zmianami klimatycznymi temperatury i nasłonecznienia oraz twardości wody.
W procesach zmian współczynnika pH pewną rolę odgrywa również światło.
W każdej wodzie występują pewne ilości jonów chloru oraz jonów H+ a reakcje powstawania i rozpadu kwasu solnego są reakcjami fotochemicznymi.
W całkowitej ciemności powstawanie chlorowodoru inaczej kwasu solnego praktycznie zachodzi bardzo słabo natomiast w świetle H2+ + Cl2- ? 2HCl. Im więcej światła tym szybsza reakcja prowadząca do powstawania kwasu solnego.
Rozpad kwasu solnego w wodzie (hydroliza ) jest reakcją, podczas której wydziela się ciepło i przebiega w/g równania
HCl + H2O ? H3O + Cl zapis jonowy ? H+ Cl- + H2O ? H3O+ + Cl-.
Reakcja ta nie wyjaśnia jeszcze zmian pH, jest to tylko przykład przemian związanych z alkalizacją wody w ciągu dnia i zakwaszania w nocy oraz zmian odczynu wody w lecie i zimie
( zima – bardzo mało światła ). Bardzo często dochodzi do odwrotnego zjawiska – zakwaszanie w ciągu dnia i alkalizacji w nocy.
W rzeczywistości procesy zmian odczynu wody w ciągu dnia i nocy lub w lecie i zimie są bardziej skomplikowane, ponieważ w tych reakcjach biorą udział związki azotu oraz sole mineralne a same rośliny w procesie pobierania soli i dwutlenku węgla do środowiska oddają coś w zamian.
Tym czymś oddanym do wody mogą być jony HCO , jony wodoru H+, tlen w formie cząsteczkowej O2 lub związany w grupy wodorotlenowe OH-.
Jony oddawane przez rośliny mają ścisły związek z tym, jakie jony są przez nie pobierane oraz od odczynu środowiska, intensywności oświetlenia i twardości wody. Podczas pobierania kationu amonowego NH oddawany jest jon H+ natomiast przy pobieraniu NO oddawany jest jon HCO . Reakcje takie nie zawsze przebiegają do końca a oddane jony ulegają dalszym przemianom np. H+ nie koniecznie będzie zakwaszał wodę, ponieważ przy dostatecznie dużej ilości tlenu powstanie cząsteczka wody, natomiast jon HCO może ulec rozpadowi na CO2 ( CO2 jest kwaśny) oraz cząsteczkę OH- (zasadowa) ta z kolei może wiązać się z jonami H+ równoważąc odczyn lub uczestniczyć w tworzeniu alkalicznych wodorotlenków lub kwasów.
Przykłady rozpuszczonych w wodzie tlenków dążących do przyłączenia OH-
CO2 + OH- ? HCO produkt końcowy – alkaliczny
N2O5 + OH- ? HNO3 produkt końcowy – kwaśny
NaO + OH- ? NaOH produkt końcowy – alkaliczny
MgO + OH- ? Mg(OH)2 produkt końcowy – alkaliczny
SO3 + OH- H2SO4 produkt końcowy – kwaśny
Przykładowych reakcji można by przytoczyć bardzo dużo zwłaszcza tych z udziałem bakterii, należy pamiętać, że woda w akwarium jest „żywa” i wszystkie czynniki związane z procesami biologicznymi oraz chemicznymi są ze sobą ściśle powiązane, nie zawsze poznane do końca i często nieprzewidywalne.

W akwariach zdarza się, że woda ulega stopniowemu zakwaszaniu pomimo jej okresowej częściowej wymiany. Przez dłuższy czas niekontrolowany współczynnik pH może osiągać wartości nawet poniżej 5,0.

Jaka może być przyczyna ?
Najczęściej do takiej sytuacji dochodzi w gęsto zarośniętych, starych akwariach bogatych w materię organiczną w okresie zimy przy krótkim czasie oświetlenia lub niskiej intensywności światła. Ilości pobieranego dwutlenku węgla i wydzielanie tlenu przez rośliny przy słabym oświetleniu mogą się równoważyć i w takiej sytuacji fotosynteza przebiega bardzo wolno, w wodzie gromadzi się CO2, sole mineralne oraz azot w formie NH co powoduje obniżenie pH
(CO2 jest kwaśny, kation amonowy obniża pH, zmniejszenie pobierania soli mineralnych zakwasza wodę).
W sytuacji krótkiego i intensywnego oświetlenia przez małą część doby, w wydłużonym okresie ciemności rośliny wydzielają znaczne ilości CO2, który nie zostaje wykorzystany w ciągu krótkiego dnia i powoli nagromadza się w wodzie co również w połączeniu z pobieraniem soli oraz obiegiem azotu prowadzi do obniżania współczynnika pH.

Procesy okresowych zmian współczynnika pH wody w przyrodzie poza nielicznymi wyjątkami zachodzą bardzo wolno, przy czym wielkość tychże zmian jest przyporządkowana danym porom roku i precyzyjnie odtwarzana każdego następnego roku.
W różnych strefach klimatycznych i geograficznych spotyka się bardzo zróżnicowane wody słodkie pod względem pH jednak przedział ten zwykle zamyka się pomiędzy 5,5 a 8,5 co jednocześnie stanowi granicę występowania w nich większości gatunków ryb i roślin.
W Polsce, w większości jezior w okresie letnim wody są lekko kwaśne lub obojętne o odczynie pH 6,8-7,0 i twardości ogólnej 7-9oN natomiast w zimie odczyn pH wzrasta powyżej 7 a twardość wody często obniża się.

Dlaczego tak się dzieje ?
Wszystkie zachodzące w wodzie procesy są ze sobą ściśle powiązane i wszystko ma swój cel. Zmiany pH zachodzące w różnych porach roku wywołane zmianami temperatury i naświetlenia biorą początek od zmian w natlenieniu wody, obiegu azotu, dwutlenku węgla i przemianom soli mineralnych na poziomie mikroorganizmów. Zgodnie z podstawowymi prawami chemicznymi wzrost temperatury wody zwiększa szybkość dysocjacji kwasów a więc wzrost stężenia jonów H+ co pociąga za sobą obniżenie współczynnika pH.

Inną przyczyną zakwaszania się wody może być niedostatek wapnia.
Wapń pobierany przez rośliny w formie kationu Ca łatwo utlenia się do tlenku wapnia CaO, z kolei CaO zawsze dąży do przyłączenia protonu H+ dając grupę wodorotlenkową Ca(OH)2 o charakterze alkalicznym.
W przypadku braku wapnia reakcja nie zachodzi a ponadto roślinom zaczyna brakować tego makroelementu, ich rozwój zostaje zahamowany z widocznymi chlorotycznymi objawami na najmłodszych liściach. Z brakiem wapnia powiązane są reakcje pobierania innych mikro i makro elementów a zwłaszcza azotu w formie NO ; w takiej sytuacji rośliny pobierają kationy NH i w zamian oddają dodatkowe protony H+.
Wapń jest wiec również bardzo ważnym makroelementem wpływającym na odczyn wody.
Wapń można dodawać do wody bardzo małymi porcjami w formie tlenku wapnia CaO tak zwane wapno palone budowlane. Taka forma wapnia musi być bardzo dobrze rozmieszana i odstana, najlepiej dozować do filtrów dennych, które nie spowodują zmętnienia wody.
UWAGA nadmiar CaO może być szkodliwy i doprowadzić do odwrotnej sytuacji a mianowicie alkalizacji wody. OSTROŻNIE !
Inną formą wapnia, którą można podawać do wody jest chlorek wapnia CaCl2, lub tzw. superfosfat – związek wapnia z fosforem CaH4(PO4)2 + [CaSO4 ? 2 H2O]
Uwaga – dodawanie wapnia zawsze prowadzi do zwiększenia twardości wody, natomiast deficyt tego pierwiastka destabilizuje odczyn wody i prowadzi do zaniku wzrostu roślin oraz ich chorób.

Jak bardzo mogą być zróżnicowane wody pod względem pH na tym samym terenie i w tym samym czasie wystarczy porównać jezioro z najbliższym odizolowanym leśnym zbiornikiem, który najczęściej jest kwaśny w przedziale 5,5-6,0 lub też może mieć ciemno zabarwione wody bardzo miękkie o nadmiernej ilości garbników i jeszcze bardziej kwaśne, w których nie występują rośliny wodne lecz jedynie obrzeża porośnięte są roślinnością błotną.

Dlaczego współczynnik pH jest tak ważny?
W połączeniu ze zmianami temperatury wody, natężenia światła, składu chemicznego, twardości wody współczynnik pH jest bodźcem zapoczątkowującym w roślinach cały szereg przemian w ich fizjologii.
W warunkach odizolowanego, zamkniętego biotopu, jakim jest akwarium regulowanie współczynnika pH wody może być bardzo trudne zwłaszcza dla niedoświadczonych akwarystów. Problemy pojawiają się już na samym początku zakładania zbiornika a najczęściej spotykanym błędem jest wpuszczenie ryb i posadzenie roślin zaraz po urządzeniu zbiornika – w takich przypadkach najczęściej dochodzi do katastrofalnych w skutkach samoistnego podwyższenia pH nawet powyżej 9,0!

Jak uniknąć takich problemów i dlaczego tak się dzieje?
W każdym nowo założonym akwarium niezależnie od rozmiarów z prawidłowo dobranym podłożem i systemem filtrów przez okres około dwóch tygodni woda będzie ulegała alkalizacji pomimo jej codziennego zakwaszania. Spowodowane jest to reakcjami chemicznymi kwasów i soli ze szkłem oraz podłożem jak również brakiem rozwiniętej flory bakteryjnej. Być może dla większości akwarystów informacja, że szkło nie jest chemicznie obojętne może być zaskakująca; przypomnijmy sobie, że woda jest najlepszym znanym na ziemi rozpuszczalnikiem chemicznym a szkło to tylko –
mieszanina krzemionki SiO2 , krzemianu sodu Na2SiO3 i krzemianu wapnia CaSiO3 .

Dla ciekawych wiedzy
Szkło nie jest kryształem, lecz substancją bezpostaciową – cieczą zastygłą w temperaturze otoczenia; kwarc najliczniej występujący pierwiastek chemiczny na ziemi; kwas fluorowodorowy rozpuszcza szkło!.

W nowo zakładanych akwariach po napełnieniu wodą nie należy umieszczać roślin i ryb, lecz codziennie zakwaszać wodę, wzbogacić ją w naturalne garbniki i szczepy bakterii pochodzące
z czystych chemicznie jezior, dodawać wodę ze starego akwarium, dobrze oświetlać i natleniać. Z upływem dni ilości kwasów potrzebnych do utrzymania pH na poziomie 6,5- 6,8 będą się zmniejszać, a w momencie, kiedy dobowe skoki pH będą się mieściły w jednej dziesiątej stopnia pH można posadzić mało wymagające rośliny takie jak niektóre zwartki, nużańce, paprotnice i wgłębkę wodną.
Dobrym rozwiązaniem jest posadzenie w akwarium większej ilości roślin pochodzących ze zbiornika od zaprzyjaźnionego akwarysty, ponieważ wraz z nimi wprowadzone zostaną do akwarium kolejne szczepy bakterii, pierwotniaków, nieszkodliwych zielonych glonów a może nawet słodkowodnych gąbek. Po kilku dniach aklimatyzacji roślin wahania pH będą się stabilizowały i dopiero wtedy można zasiedlić akwarium rybami.
Aby w akwarium równowaga biologiczna trwale ustabilizowała się trzeba będzie jeszcze dość długo czekać i dlatego nadal należy sprawdzać odczyn wody i korygować go, Jednocześnie zadbać o właściwe proporcje pomiędzy ilością roślin i ryb oraz relacje pomiędzy różnymi gatunkami roślin nie dopuszczając do opanowania zbiornika przez jeden gatunek.
Ważnym elementem w stabilizacji pH jest wzbogacanie wody w dwutlenek węgla- zagadnienia te opisane są w rozdziale CO2.

Stabilizacja pH wody
Na stabilność odczynu pH wody wpływa wiele elementów a do najważniejszych można zaliczyć obecność pewnych związków chemicznych zarówno mineralnych jak i organicznych.
Wody tak zwane stare bogate w węglany, wodorowęglany, związki humusowe oraz aminokwasy charakteryzują się dużą pojemnością buforową.
Bufory są to takie ciecze, w których odczyn pH zmienia się nieznacznie po dodaniu kwasu, zasady lub wody.
W wodzie biologicznie aktywnej niewielka zawartość związków buforowych w znaczący sposób zwiększa jej pojemność inaczej mówiąc zdolność utrzymania pH na zadanym poziomie po dodaniu związków o charakterze kwasów lub zasad.
Im więcej związków buforowych w wodzie tym większa jej pojemność.
Bufory sporządza się rozpuszczając równocześnie słaby kwas i sól tego kwasu z mocną zasadą – np.
kwas ortofosforowy H3PO4 + sól kwasu ortofosforowego NaH2PO4 + zasada NaOH
lub np. kwas octowy CH3COOH + octan sodowy CH3COONa + zasada NaOH .
Buforami są również węglany i wodorowęglany wapnia, sodu i magnezu stanowiące w wodzie twardość ogólną i węglanową.
W praktyce bardzo dobrym buforem dla potrzeb akwarystyki jest soda oczyszczona – wodorowęglan sodu NaHCO3 stosowana do alkalizacji wody; w środowisku kwaśnym wykazuje właściwości alkaliczne natomiast w środowisku alkalicznym właściwości kwaśne.
Soda oczyszczona bardzo łatwo reaguje z kwasami i jonami wodorotlenowymi dając niezbędne składniki dla buforu .
Innymi bardzo dobrymi buforami są aminokwasy powstałe z rozkładu białek w starszych akwariach.
Aminokwasy charakteryzują się specyficzną budową cząsteczkową, która zawiera jony obojnacze, czyli mogące przyjmować wartości dodatnie lub ujemne w zależności od pH roztworu, w którym się znajdują.
Proces powstawania kwasu aminooctowego C2H5O2N mającego bardzo silne właściwości buforowe zapoczątkowany jest rozkładem białek przez bakterie, w dalszych przemianach aminokwasy stopniowo rozkładane są na peptydy oraz związki amonowe.
Peptydy są fragmentami aminokwasów składające się z grup – NH – CH – CO – .
Ponieważ temat buforowości wody wiąże się z jej twardością oraz zawartością soli mineralnych zagadnienia te są również poruszone w rozdziałach „Twardość wody” oraz „Sole”

Kilka praktycznych uwag stosowania kwasów.
Wodę w akwarium należy zakwaszać zawsze kwasami silnie rozcieńczonymi tylko tą samą wodą z tego samego akwarium, stosować kwasy chemicznie czyste najlepiej tak zwane cz.d.a.
(czysty do analiz), dolewać metodą kropelkową (coś w rodzaju kroplówki) bardzo powoli i w tym czasie sprawdzać odczyn.
Do zakwaszania powinny być używane różne kwasy, tak aby nie doszło do nadmiernego nagromadzenia się jednego rodzaju soli pochodzących ze zdysocjowanych reszt kwasowych np. SO ,NO , PO .
Kwas ortofosforowy – jeden z najczęściej stosowanych i skutecznych, dysocjujący w trzech etapach, (powoli) lecz po dłuższym stosowaniu powoduje rozwój brunatnic i sinic.

Kwas azotowy-działa silnie, natychmiast, lecz nie trwale powoduje początkowo intensywny rozwój roślin na skutek dodatkowych porcji azotu, stosowany dłużej w połączeniu z dobrym oświetleniem i zwiększonej ilości białek pochodzących z przekarmiania ryb lub przerybienia akwarium prowadzi do zielonych zakwitów wody i silnego rozwoju glonów zielonych, nitkowatych oraz krasnorostów.

Kwas siarkowy-również silnie działa, rozpada się wolniej od azotowego, ogranicza rozwój wszystkich gatunków glonów. Stosowany dłużej może prowadzić do powstawania trującego siarkowodoru lub ograniczyć rozwój większości roślin z powodu nadmiernych ilości soli siarkowych. Po dysocjacji H2SO4 na jony, bardzo łatwo cząsteczka SO łączy się z miedzią dając siarczan miedzi CuSO4. Siarczan miedzi jest związkiem glonobójczym.

Kwasy węglowe powstają w wyniku rozkładu wodorowęglanów sodu, wapnia i magnezu oraz dozowania CO2-stanowią doskonałe źródło węgla dla roślin lecz przy nadmiernym stężeniu CO2, które może być wynikiem zanieczyszczenia podłoża, przerybienia lub przekarmiania ryb mogą silnie i bardzo szybko zakwasić wodę prowadząc do zniszczenia równowagi biologicznej, zatrucia wody nadmiarem CO2, natychmiastowego rozwoju sinic a w efekcie do „katastrofy ekologicznej”. Stosowanie kwasów nie jest sprawą prostą musi być przemyślane a rodzaj użytego kwasu dostosowany do warunków panujących w akwarium i potrzeb roślin. Temat ten wiąże się z pobieraniem soli mineralnych, obiegiem azotu i dwutlenku węgla.