La chimica e l'acquario (prima parte)

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1 La chimica e l'acquario (prima parte) Inviato da gregory (Fabrizio Basagni) martedì 14 aprile 2009 Ultimo aggiornamento domenica 19 aprile 2009 Acquariforum 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

2 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 % 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 -), 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 ++ bicarbonato HCO3 -

3 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

4 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

5 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 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);

6 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 ).

7 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,

8 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

9 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 + nco > 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.