La chimica e l`acquario (prima parte)

Acquariforum
La chimica e l'acquario (prima parte)
Inviato da gregory (Fabrizio Basagni)
martedì 14 aprile 2009
Ultimo aggiornamento domenica 19 aprile 2009
La chimica e l'acquario : per saperne di più su durezza, conduttività e pH.
Penso sia utile a tutti avere delle nozioni elementari di chimica per capire meglio la chimica dell’acqua.
La chimica può sembrare una materia noiosa e di difficile lettura ma
mantenendo l’attinenza all’acquariofilia più che noiosa diventa utile
ed evitando spiegazioni complesse, focalizzando invece l’attenzione su
pochi concetti base (elementari), è più facile leggere e non
addormentarsi.
Cominciamo dando per scontato che tutti sappiate che la Chimica studia
la TRASFORMAZIONE delle sostanze e che abbiate visto almeno una volta
nella vita la famigerata TABELLA PERIODICA DEGLI ELEMENTI, bene:
nella tabella periodica degli elementi sono rappresentate le sostanze
elementari ovvero quelle formate da atomi della stessa qualità che non
possono essere suddivise in sostanze più semplici, si chiamano ELEMENTI
CHIMICI e sono formati da ATOMI, gli elementi chimici uniti tra loro si
chiamano COMPOSTI CHIMICI (che hanno proprietà diverse dagli elementi
di partenza) e sono formati da MOLECOLE.
Il primo concetto è quindi: ATOMO -> ELEMENTO CHIMICO -> MOLECOLA -> COMPOSTO CHIMICO.
Come sapete un atomo ha un nucleo composto da protoni e neutroni
circondato da una nube di elettroni, un atomo ha carica elettrica
neutra poichè ha lo stesso numero di protoni (carica positiva) ed
elettroni (carica negativa), capita però che l’atomo tenda a perdere od
acquistare gli elettroni più lontani dal nucleo (elettroni di valenza)
e così diventi IONE.
IONE vuol dire “colui che cammina” in quanto non è più un atomo neutro
ma ha una carica elettrica che gli permette di spostarsi e collegarsi
ad altri ioni.
Se un atomo perde un elettrone ha un protone in più rispetto
all’equilibrio precedente ed ottiene quindi carica positiva (catione)
viceversa se acquista un elettrone ottiene carica negativa (anione).
La regola che decide come si muovono gli ioni e come si trasformano gli
elementi chimici per formare i composti chimici è quella dell’ottetto:
ogni atomo ha la tendenza ad assumere nella sua orbita esterna 8
elettroni di valenza (acquistandone o cedendone).
Oltre a questa caratteristica bisogna tener presente che come abbiamo
detto l’acqua è un solvente micidiale, per la precisione questa
capacità (che si chiama idratazione) è consentita dal fatto che la
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molecola dell’acqua H20 forma un DIPOLO ovvero il suo lato positivo
(idrogeno) viene attratto da cariche negative mentre quello negativo
(ossigeno) da cariche positive, questa forza elettrica è in grado di
annullare le forze di coesione di composti chimici come i sali e
scioglierli dividendoli in ioni.
Il secondo concetto è quindi: IONE.
IN ACQUARIO
Gli ioni che ci interessano sono quelli principalmente disciolti (perchè l’acqua è un solvente) in acqua dolce:
IONI CON CARICA POSITIVA (cationi) sono (in percentuali approssimate di composizione in peso)
- 65% calcio Ca ++ (++ vuol dire che gli mancano 2 elettroni di valenza, cioè ne ha 6 e tende ad averne 8)
- 18% sodio Na + (+ vuol dire che gli manca 1 elettrone di valenza, cioè ne ha 7 e tende ad everne 1)
- 10% magnesio Mg ++
- 7% potassio K +
- altri (in concentrazione decisamente inferiore) come ammmonio (NH4 +
), bario (Ba ++ ), ferro (Fe++ ), manganese (Mn ++ ), stronzio (Sr ++
), ... .
IONI CON CARICA NEGATIVA (anioni) sono (in percentuali approssimate di composizione in peso)
- 80% bicarbonato HCO3 - (- vuol dire che ha 1 elettrone di valenza in più e tende a perderlo per averne 8)
- 14% solfato SO4 -- (-- vuol dire che ha 2 elettroni in più e tende a perderli)
- 6% cloruro Cl - altri come carbonato (CO3 --), fosfati (PO4 ---), nitrati (NO3 -), nitriti (NO2 -), .... .
1. La durezza
Questo primo step ci permette di capire che cosa è la durezza che misuriamo in acquario.
Tralasciando le varie definizioni di durezza basiamoci solo su quello
che ci interessa, noi ragioniamo in termini di gradi tedeschi e
chiamiamo GH la durezza totale e KH la durezza carbonatica, anche se
ciò può non essere chimicamente corretto è inutile addentrarci su
definizioni migliori ma non usate.
Abbiamo detto che l’acqua è un solvente quindi dissocia i sali che vi
presenziano in ioni, di tutti questi ioni solo 4 incidono sulla durezza
come noi la intendiamo:
calcio Ca ++
magnesio Mg ++
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carbonato CO3 - .
La DUREZZA TOTALE misura la concentrazione dei SOLI cationi di calcio e magnesio (Ca++ e Mg++).
La DUREZZA CARBONATICA misura la concentrazione dei SOLI anioni carbonato (CO3-) e bicarbonato (HCO3-)
questi ultimi in maggioranza come visto prima.
Nelle nostre acque la durezza totale è superiore a quella carbonatica
(che mediamente compone il 70% della totale) ma questa non è una
regola, infatti in laghi come il Tanganika avviene l’inverso.
Come è possibile ?
Semplicemente gli anioni bicarbonato e carbonato sono superiori ai
cationi calcio e magnesio, ovvero vi sono bicarbonati e carbonati
diversi dal bicarbonato di calcio/magnesio o carbonato di
calcio/magnesio ma associati ad altri cationi come il sodio ed il
potassio.
La durezza carbonatica viene anche chiamata durezza TEMPORANEA poichè a
seguito di ebollizione i carbonati e bicarbonati di calcio e magnesio
precipitano sotto forma di incrostazioni calcaree (es. carbonato di
calcio CaCO3 con liberazione di acido carbonico H2CO3), ma questo non è
certo un sistema per abbassare la durezza carbonatica ed acidificare
l’acqua ... .
AUMENTARE LA DUREZZA: non è una
esigenza frequente ma se del caso si può filtrare l’acqua attraverso
materiale calcareo (marmo) usando CO2 (scioglie prima il calcare) come
avviene nei reattori di calcio (che usano ad esempio aragonite o
calcite) per il marino, in questo modo si aumentano entrambe le durezze
OPPURE, come avviene per chi usa acqua di osmosi, usare appositi
prodotti commerciali potendo giostrare un incremento differenziato
delle due durezze (i prodotti sono tanti, tutti validi, alcuni pure
liquidi evitando così faticose mesciture).
DIMINUIRE LA DUREZZA: in questo
caso si ricorre ad un acqua distillata o demineralizzata, il miglior
compromesso qualità-costo è l’acqua di osmosi, da miscelare alla
propria.
VALORI IDEALI: esistono solo a
seconda del biotopo di origine dei pesci che ospitiamo e delle
caratteristiche di allevamento, quindi prima informiamoci; comunque in
linea generale un GH tra 4 e 10 ed un KH tra 3 e 7 sono ottimali per la
maggioranza di pesci e piante.
2. La conduttività
Un ulteriore valore utilizzato in acquariofilia e legato al concetto di ione è quello della conduttività.
La CONDUTTIVITA'
rappresenta la capacità dell'acqua di permettere il passaggio di
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corrente elettrica, tale passaggio è favorito dalla presenza di ioni
quindi la conduttività ci da una misura della QUANTITA' di ioni
presenti in acqua (più ioni sono presenti, ovvero più sostanze sono
disciolte in acqua, maggiore è la conduttività).
La conduttività è data dalla presenza di TUTTI gli ioni (anche sostanze
inquinanti come i nitrati NO3 -) quindi non solo quelli generatori
delle durezze come viste sopra e si misura tramite un conducimetro che
misura attraverso due elettrodi ed a seguito di passaggio di corrente,
la resistività dell'acqua.
L'unità di misura è il microsiemens/cm.
Questa misura è chiaramente quantitativa, cioè non ci dice nulla (o
poco) sulla QUALITA' degli ioni presenti, ovvero QUALI siano.
Fatto sta che può comunque essere utile poichè misurandola inizialmente
e notando un suo incremento possiamo capire che è il momento di fare un
cambio poichè sono aumentati i nitrati o i fosfati.
Ogni ione ha una sua caratteristica conduttività e la somma di queste
da la misura che troviamo, ciò nonostante è difficile procedere dalla
conduttività alla misurazione qualitativa degli ioni anche se esistono
tabelle specifiche di conversione, poichè come detto gli inquinanti
sono pure essi ioni ed il loro status non è costante.
La temperatura influenza la conduttività nel senso che 1° C in più aumenta la conduttività del 2%.
VALORI IDEALI: non esistono se non
a seconda del biotopo e delle caratteristiche di allevamento, quindi
anche in questo caso prima informarsi; a livello generale una
conduttività tipica nei nostri acquari è tra 300 e 600 microsiemens/cm;
per la riproduzione di pesci come il discus si arriva anche sotto 100
microsiemens/cm mentre sopra 1000 microsiemens/cm abbiamo una acqua
inadatta per i nostri pesci.
Per agire sulla conduttività si ricorre a cambi parziali per abbassarla ed introduzione di sali per alzarla.
Il secondo step di questo articolo è relativo alla nomenclatura in chimica
E' piuttosto facile partendo dalla distinzione degli elementi chimici
della tavola periodica in METALLI e NON METALLI (se ne avete una sotto
mano differenzia questi elementi di cui i primi sono la maggioranza),
tra i metalli ci interessano sodio (Na), magnesio (Mg), potassio (K),
calcio (Ca), manganese (Mn), ferro (Fe), rame (Cu) e pochi altri; tra i
non metalli i principali di interesse acquariofilo sono l’idrogeno (H),
l’azoto (N), l’ossigeno (O) ed il cloro (Cl).
Schematicamente la nomenclatura in chimica è la seguente:
METALLO + OSSIGENO = OSSIDO
OSSIDO + ACQUA = IDROSSIDO
NON METALLO + OSSIGENO = ANIDRIDE
ANIDRIDE + ACQUA = ACIDO
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IDROSSIDO + ACIDO = SALE
Gli acidi si chiamano idracidi quando quando provengono da non-metalli
alogeni , altrimenti si chiamano OSSIACIDI, la valenza di un acido è
data dal numero di atomi di idrogeno H+ .
La valenza degli idrossidi è data invece dal numero di ossidrilioni OH- .
Tutti i composti di cui sopra hanno desinenza -oso, -ico a seconda
della valenza (quella inferiore per -oso e quella superiore per -ico),
mentre per i sali la desinenza è -ato, -ito anche in questo caso dovuto
alla valenza (-ato valenza superiore e -ito valenza inferiore).
In altre parole, meno schematicamente:
- ACIDI
sono composti che contengono idrogeno H che può essere sostituito da un
metallo e si formano per soluzione in acqua di un ossido non metallico
(anidride) es:
SO3 (solfato) + H2O (acqua) = H2SO4 (acido solforico)
mentre solo gli alogeni (floro, bromo, iodio e cloro) possono formare un acido per diretta unione con l’acqua es:
Cl2 (cloro) + H2O (acqua) = HCl (acido cloridrico)
Gli acidi in acqua si dissociano in ioni H+ e ioni negativi costituiti dal residuo acido.
Gli acidi che si dissociano molto (oltre il 50%) in ioni si chiamano
acidi FORTI (es. acido cloridrico HCl), viceversa si chiamano acidi
DEBOLI quelli che si dissociano poco (sotto 1%) come l’acido carbonico
H2CO3 (che esiste solo in soluzione acquosa).
Gli acidi hanno un pH da 1 a 6,9 .
- BASI sono composti che contengono il gruppo ossidrile OH- e si formano per soluzione in acqua di ossidi di metalli, es:
Na2O + H2O = 2 NaOH.
Le basi in acqua si dissociano in ioni metallici carichi positivamente e ioni OH- carichi negativamente.
Anche qui, in base alla capacità di dissociarsi, si parla di basi FORTI (es. NaOH cd soda caustica) e DEBOLI (es.
Cu(OH)2).
Le basi hanno un pH da 7,1 a 14.
- SALI sono composti che provengono dall’unione di un
residuo basico (metallo) con un residuo acido, in acqua un sale può
avere reazione di vario tipo (neutra, acida, basica).
Vediamo alcuni esempi:
SALE NEUTRO si forma dalla completa neutralizzazione di un acido con una base es:
2NaOH (idrossido di sodio) + H2SO4 (acido solforico) = Na2SO4 (solfato di sodio) + H2O (acqua);
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SALE ACIDO si forma per neutralizzazione incompleta, ovvero gli
atomi di idrogneo dell’acido vengono sostituiti parzialmente da atomi
di metallo, es:
NaOH + H2SO4 = NaHSO4 (solfato acido di sodio o bisolfato di sodio) + H2O;
SALE BASICO si forma anch’esso per neutralizzazione incompleta, gli ossidrili OH sono sostituiti solo
parzialmente da residui acidi; es:
Cu(OH)2 (idrossido di rame) + HCl (acido cloridrico) = Cu(OH)Cl (cloruro basico di rame) + H2O.
- ANIDRIDI sono infine ciò che rimane ad un acido contenente ossigeno QUANDO si toglie acqua, es:
H2CrO4 - H2O = CrO3 (anidride dell’acido cromico).
Questo step ci permette di parlare del pH.
3. Il pH
pH significa concentrazione degli idrogenioni H+, ovvero è espressione “in peso” degli H+.
L’acqua è composta da idrogenioni H+ ed ossidrilioni OH - , QUANDO sono
in rapporto 1:1 l’acqua si dice neutra ed il pH è 7 (valore medio),
altresì se gli H+ sono superiori si parla di pH acido (inferiore a 7) e
se invece son inferiori agli OH- si parla di pH alcalino (basico) cioè
superiore a 7.
Il pH è espresso da una potenza e quindi quando si parla di pH 6 e pH 5
non vuol dire che il secondo sia inferiore di una unità bensì lo è di
10 volte, cioè è 10 volte più acido.
Il pH è influenzato dalla presenza di acidi in acquario, tale presenza
che “regala” H+ ) può essere poca (acidi FORTI ovvero che si dissociano
molto) o più rilevante (acidi DEBOLI che si dissociano poco), da alcali
presenti in acquario, che “regalano” OH- (sia FORTI che DEBOLI) ed
infine dalla reazione (acida, neutra, alcalina) dei sali.
Quest’ultimo punto è importante perchè spesso ci chiediamo come mai a
parità di presenza dei sali generatori delle durezze, un acqua di
rubinetto abbia pH 7 ed un altra pH 8 (ovvero sia 10 volte più
alcalina).
La spiegazione sta nella presenza più o meno cospicua di sali a reazione basica (che alzano il pH).
In acquario il pH è una misura importante, come nel caso della
conduttività ci da una misura QUANTITATIVA e non qualitativa circa i
composti chimici che lo modificano (non ci dice quali siano), ma il suo
variare è legato a valori come la durezza carbonatica KH (vedremo poi
perchè) e la presenza di inquinanti NO3) quindi è un buon indice
generale.
Il principale acidificante in acquario è l’acido carbonico H2CO3 ovvero
la presenza di CO2 in acqua (ne parleremo poi assieme al concetto di
“tampone”).
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ABBASSARE IL pH: è una esigenza frequente che si può realizzare in due modi:
- utilizzare CO2, ovvero erogare CO2
- addizionare in modo diretto (estratti commerciali) od indiretto
(materia prima) acidi umici, tannici, ... derivanti da materiale come
torba, pignette di ontano, quercia, legni in generale, ... in questo
modo ricreando approssimativamente ciò che avviene in natura dove
materiale organico come foglie e legni nonchè detriti vari, abbondano
in acqua.
- addizionare acidi (es. citrico) o sali a reazione acida.
Il primo metodo è di gran lunga il preferibile, in tutti i casi tenendo
sotto controllo le durezze per il motivo che spiegheremo poi.
ALZARE IL pH: è una esigenza meno frequente che si realizza essenzialmente così:
- utilizzare areatore e movimentare molto l’acqua (in questo modo si
“strippa” ovvero si elimina meccanicamente dall’acqua la CO2);
- addizionare alcali o sali a reazione alcalina.
Anche qui il metodo migliore è il primo.
In entrambi i casi per agire sul pH è meglio non usare additivi
commerciali poichè alla lunga modificando la composizione salina
dell’acqua creando problemi ai pesci.
VALORI IDEALI: esistono solo a
seconda del biotopo di origine dei pesci che ospitiamo, quindi prima
informiamoci; generalmente un pH tra 6,8 e 7 è adatto alla maggioranza
dei pesci e delle piante, pH inferiori sono adatti alla riproduzione di
certi pesci (ciclidi amazzonici ed altri) e superiori all’allevamento
di altri (poecilidi e ciclidi africani dei grandi laghi ad esempio), in
tutti i casi prima di agire sul pH è bene sapere quanto segue in
termini di “tampone”.
4. La stabilità del pH: il TAMPONE
E’ spesso importante in chimica e nelle sue applicazioni, mantenere costante il pH di una soluzione.
Questa necessità è ugualmente presente nell’acquariofilia.
Quale è il metodo per stabilizzare il pH ?
Semplicemente quello di ricorrere a soluzioni tampone ovvero a soluzioni che contengono:
ACIDO DEBOLE (poco dissociato) + sale dato da questo acido con una BASE FORTE (molto dissociata)
Questo è il concetto di TAMPONE, variando la quantità dell’acido e del
sale si ottengono pH diversi ma comunque COSTANTI anche se la soluzione
si diluisce sensibilmente ed anche se si fanno aggiunte, non eccessive,
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di acidi o basi.
Le soluzioni tampone si possono realizzare in vari modi, ad esempio nel
settore delle lavorazioni galvaniche si utilizza acido borico + borace,
acido acetico + acetato sodico, fosfato sodico primario e fosfati
sodici secondari ecc ... .
In acquario il discorso è diverso, non c’è bisogno di mettere una soluzione tampone visto che ce la abbiamo già !
Infatti in acquario la soluzione tampone o regolatrice (stabilizzatrice) del pH è data da:
ACIDO CARBONICO (H2CO3) + BICARBONATO (HCO3 -)
Questo fatto è di enorme importanza concettuale poichè ci permette di
affermare che esiste un rapporto costante tra pH, CO2 (da cui deriva
l’acido carbonico) e KH (oncentrazione bicarbonati).
Questo rapporto è il seguente
pH = 6,4 + log [concentrazione acido (CO2) / concentrazione base (KH)]
CHE porta alla famose tabelle secondo le quali si può ricavare la quantità di CO2 in acqua conoscendo il pH e il KH.
Prima di vedere le tabelle ovvero le relazioni tra pH, CO2 e KH parliamo però della anidride carbonica.
5. L'anidride carbonica
L’anidride carbonica è un gas inodore ed incolore.
La domanda che sorge spontanea è : come fa un gas a stare in acqua ?
In effetti non è che quando immettiamo artificialmente CO2 in acquario
trasformiamo un gas in un liquido, semplicemente il 99% della CO2
rimane disciolta nell’acqua in forma gassosa mentre solo l’1% reagisce
chimicamente formando acido carbonico H2CO3 secondo la reazione
(reversibile):
CO2 + H2O <=> H2CO3 <=> H (+) idrogeno + HCO3 (-) bicarbonato
Dalla ultima parte della reazione sovrastante salta subito all’occhio
che questo gas è in relazione con variabili della chimica in acquario
come il pH (abbiamo cessione di H+) e durezza carbonatica KH (abbiamo
cessione di HCO3 -, cioè bicarbonato), vedremo poi in particolare.
Tornando al discorso gas in acqua bisogna sapere che l’acqua scambia
sempre gas con l’aria, basti pensare all’ossigeno, secondo le regole
dell’EQUILIBRIO GASSOSO (che vale sia per l’aria che per l’acqua ed è
relativo al concetto di saturazione di gas in questi due ambienti) per
il quale l’acqua può contenere SOLO poco più del 65% della CO2 presente
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in aria (in sostanza non più di circa 0,5 mg/lt) superato tale valore
infatti la CO2 abbandona l’acqua e lo scambio gassoso avviene solo da
acqua ad aria e non viceversa come invece per concentrazioni inferiori
a 0,5 mg/lt.
In natura avviene la stessa cosa, le acque contengono CO2 per scambio gassoso.
IN ACQUARIO
La CO2 erogata è prassi comune negli acquari con piante poichè fonte di
carbonio per le stesse ed inoltre, a mio avviso, migliore metodo di
acidificazione dell’acqua stessa.
E’ infatti utile ricordare che la CO2 è la “benzina” della fotosintesi
clorofilliana, ovvero il processo attraverso il quale le piante vivono
e forniscono ossigeno tramite energia solare (nel nostro caso data
dalla illuminazione artificiale rappresentata dalla freccia), secondo
lo schema:
nH2O + nCO2 ----------> nH2CO + n O2
sì che il carbonio viene a costituire il 70% in peso delle piante.
Bisogna anche sapere che ad alte concentrazioni la CO2 è pericolosa per
i nostri pesci, anche a dosi appena superiori a 0,5 mg/lt per certi
pesci ed in certe condizioni:
di fatti l’anidride carbonica è un gas più pesante dell’ossigeno: se in
acquario si ha un coperchio ermetico succede che si crea un cuscino di
CO2 appena sopra al livello dell’acqua, questo è pericoloso per pesci
che respirano in superficie come gli anabantidi (labirintidi) poichè la
CO2 impedisce l’assunzione di ossigeno -più leggero- e quindi provoca
la morte per asfissia, è per questo che i coperchi degli acquari devono
essere sempre muniti di aperture.
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