Bufory pH w akwarium

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 takie jak bufory pH, których obecność w akwarium jest niezbędna, a całkowite ich pozbycie się byłoby nierozsądne.

Rola wodorowęglanów w akwarium

Wodorowęglany odgrywają znaczącą i dwojaką rolę w każdym zbiorniku wodnym. Aby wyjaśnić oba zjawiska, zacznijmy od teorii. Wodorowęglany to wodorosole kwasu węglowego (H₂CO₃), który powstaje w wyniku 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 stopniowa. Tutaj zachodzi w środowisku wodnym, dlatego zawsze w równaniu obecna jest cząsteczka wody.

H₂CO₃ + H₂O ↔ H₃O⁺ + HCO₃^– powstaje jon wodorowęglanowy

HCO₃^– + H₂O ↔ H₃O⁺ + CO₃^2- powstaje jon węglanowy

W każdym z powyższych równań występuje kation oksoniowy H₃O⁺, 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 w akwarium. Dlatego dziś skupimy się wyłącznie na ważnej korzyści z ich obecności w wodzie, jaką jest stabilizacja pH. Ponieważ wodorowęglany to podstawowe bufory pH w akwarium.

Jak bufory stabilizują pH wody w akwarium?

Większość osób zastanawiając się nad korektą pH myśli o zastosowaniu kwasów (zwiększenie ilości jonów H⁺) lub zasad (zwiększenie ilości OH^–).

Należy zdawać sobie sprawę, iż odczyn wody to nie temperatura. Wzrost czy spadek temperatury wody o 1 stopień ma niewielki wpływ na życie fauny i flory akwarium. Jednak w definicji pH zastosowanie ma logarytm dziesiętny. Oznacza to, że korekta odczynu wody o pH wynoszące 1, np. z pH=6,5 na pH=7,5 to 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 akwarystycznym.

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. Bez wątpienia 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.

Na czym polega buforujące działanie wodorowęglanów?

W obecności mocnych kwasów i zasad wodorowęglany 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 bufory pH uratowały nie jedno akwarium początkującego akwarysty.

Co się dzieje, gdy w akwarium brakuje wodorowęglanów?

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 preparatu do zbiornika, robimy kilka lub kilkanaście testów, a kwasowość nie spada. Ile osób postanowiło wtedy wlać preparat „na oko” chcąc ułatwić sobie życie?.

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.

Michał Wyskiel