facebook-tab50

Home

Artikelen

Chemie ABC voor de zee-aquariaan: de carbonaathardheid (KH)

Gepubliceerd in: Cerianthus, februari / maart 2003

Inleiding

Regelmatig hoor je in gesprekken met zee aquarianen de vraag." Hoe Is de KH in uw aquarium?. Deze vraag wordt dan beantwoord met de opmerking: "In mijn aquarium is de KH precies goed" Of: "Mijn KH is altijd te laag maar bij Jan is de KH veel te hoog." Op de vraag hoe hoog de zou moeten zijn, of op de vraag waarom waarom een andere KH-waarde wel of niet goed zou zijn, blijft het antwoord achterwege. Soms wordt volstaan met het zaligmakende antwoord: "In boeken staat dat ….., dus ... Of: "Piet zegt dat de steenkoralen harder groeien, wanneer de KH 12 is. "Ook gehoord: "Hans zegt dat naarmate de KH hoger is, de pH ook stijgt, dus ik houd de KH op 15."

Belangrijk voor het hierna verhaal is het te weten dat de KH-waarde van natuurlijk zeewater 7 - 8 graden dH bedraagt.

Betekenis van het begrip KH

Wat geeft de KH-waarde nou eigenlijk aan en waarom moet je nu precies een KH-meting verrichten. Hoe hoog moet de KH (ongeveer) zijn? Merck omschrijft het begrip KH (Lit: Die chemische Untersuchung von Wasser) als volgt:

"Unter Carbonathärte versteht man den Teil der Gesamthärte, der durch den Anteil der Erdalkali-ionen (Magnesiumm, Calcium-, Strontium- und Bariumionen) hervorgerufen wird, der den in dem Wasser enthaltenen Carbonat- und Hydrogenencarbonaten sowi bei deren Hydrolyse entstandenen Hydroylionen Equivalent ist."

* Latijn: carbo= koolstof, het toevoegsel 'naat' geeft aan dat het om een zout van koolzuur gaat, in dit geval een verbinding met koolstof met zuurstof).

Deze Merckdefinitie klinkt nogal ingewikkeld en door al die naamvallen moet je wel drie keer lezen wat er nu eigenlijk staat. Het is voor onze doeleinden voldoende om te onthouden dat de karbonaathardheid (KH) wordt bepaald door (en recht evenredig is aan de som van de hoeveelheid carbonaationen, bicarbonaationen en hydroxylionen die aanwezig zijn in het aquariumwater.

Hoewel onder aquariumhouders de term 'karbonaathardheid' veel wordt gebruikt is een andere benaming de 'tijdelijke hardheid' of juister 'het zuurbindend vermogen'. Immers dat is precies hetgeen de KH-waarde aangeeft. Overigens, voor aquariumgebruik wordt de KH doorgaans gemeten in Duitse graden (odH).

Zuurverbindende werking in relatie met de zuurgraad

Hoe moet je je dat nu voorstellen, het binden van zuur? Het actieve bestanddeel van een zuur wordt gevormd door de waterstofionen. Hoe meer waterstofionen in een vloeistof aanwezig zijn, hoe zuurder deze vloeistof is en hoe lager dus de pH-waarde zal zijn. De drie verschillende KH-componenten, te weten:

  1. bicarbonaationen (HCO3-),
  2. carbonaationen (C03-) en
  3. hydroxylionen (OH-)
kunnen alle drie reageren met waterstofionen:
  • reactie 1) Uit bicarbonaat en waterstof (H+) ontstaat water (H20) en koolstofdioxide (C02)
  • reactie 2) Uit carbonaat en waterstof ontstaat eerst bicarbonaat, vervolgens water en koolstofdioxide
  • reactie 3) Uit hydroxyl (OH) en waterstof ontstaat water.
  • In feite wordt het aanwezige zuur door elk van deze drie KH -componenten geneutraliseerd (gebonden) tot water (reactie 1 t/m 3) en koolstofdioxide (reactie 1 en 2). Door hun reactie met zuur in een vloeistof zijn deze KH-componenten in staat om een bepaalde hoeveelheid zuur op chemische wijze weg te vangen (te neutraliseren). Ze zorgen er in een vloeistof dus voor, dat de zuurgraad van die vloeistof ondanks de toevoeging van een (kleine) hoeveelheid zuur niet daalt, totdat hun zuurbindende capaciteit verbruikt is. Ze bufferen een vloeistof dus op een bepaalde pH-waarde, of anders gezegd ze geven aan de vloeistof een tijdelijke hardheid. Hoe hoger de KH-waardeis bij een gegeven pH-waarde, des te stabieler is de vloeistof op die pH-waarde gebufferd.

    Op het moment dat het totale zuurbindende vermogen in een vloeistof is verbruikt, is deze tijdelijke hardheid ook verdwenen en zal de pH direct omlaag schieten hij toevoeging van nog meer zuur. Het is dus zaak om de KH-waarde steeds in de gaten te houden.

    Uit het voorgaande blijkt dat het zuurbindende vermogen in het aquariumwater door verschillende pH-buffers bepaald wordt. Hydroxylionen hebben weliswaar een zuurbindende werking, maar zijn normaal gesproken niet van belang als pH-buffer in zeewater.
    Bicarbonaat en carbonaat zijn beide pH-buffers, die qua structuur en werking sterk op elkaar lijken; het zijn beiden verbindingen die zowel koolstof, alsook zuurstof bevatten. Toch hebben ze ook verschillen in hun bufferwerking.
    Water waaraan carbonaat is toegevoegd zal op een hogere pH-waarde zijn gebufferd dan wanneer bicarbonaat als buffer zou zijn toegevoegd. Als de twee buffërs gemengd worden in preciese pH-waarde afhankelijk van de onderlinge mengverhouding waarin de bicarbonaat- en carbonaationen voorkomen.

    Voor de volledigheid en ter illustratie van het hier besprokene heb ik een figuur toegevoegd uit "Dynamic aquaria" (Audey en Loveland, 1991). Hetzelfde plaatje heeft reeds eerder in "Het Zeeaquarium (1985?) gestaan en laat heel goed de relatie zien tussen de zuurgraad enerzijds en de verhouding tussen carbonaat en bicarbonaat anderzijds.

    Figuur 1: De verdeling van koolstof in de opgeloste componenten dioxide, bicarbonaat en carbonaat als de zuurgraad (uitgedrukt in pH)


    Gelet moet worden op de stippellijnen, deze de situatie in zeewater voorstellen. Wat opvalt in de figuur is dat bij een (voor onze begrippen) optimale pH van 8,3 de hoeveelheid bicarbonaat niet overeenkomt met de maximale hoeveelheid bicarbonaat Wanneer de hoeveelheid bicarbonaat stijgt tot de maximale hoeveelheid ongeveer is de pH-waarde 7,7! Op dat moment is de pH-waarde beduidend minder dan bij de optimale pH-waarde van 8,3 het geval is. Wat verder te zien is in de figuur is dat ook koolstofdioxide (koolzuurgas of C02) opgelost in het water, toeneemt naarmate de pH-waarde daalt. Of is het soms zo dat de pH-waarde daalt naarmate de hoeveelheid CO2 toeneemt? Hier kom ik verder in dit verhaal nog op terug.

    De KH-waarde op zich zegt niets over de verhouding waarin carbonaat- en bicarbonaationen voorkomen. Om dus te kunnen aangeven of het aquariumwater op de juiste KH-waarde is gebufferd, is het noodzakelijk om ook de pH-waarde te kennen. De combinatie van KH- en pH-waarde geeft aan of de gemeten toestand ideaal is.

    Voorbeeld 1

    In een watermonster wordt een hoge KH gemeten (18odH) en een relatief lage pH (7,8). In de figuur is bij een pH van 7,8 af te leiden dat er teveel bicarbonaat aanwezig is en te weinig carbonaat. Deze situatie is niet wenselijk, want hoewel de KH-waarde hoog is, zal door de sterke pH-bufferwerking van bicarbonaat de pH moeilijk omhoog te krijgen zijn.

    Voorbeeld 2

    In een watermonster wordt een KH gemeten van 7odH en een pH van 8,3. Uit de figuur is af te lezen dat bij deze pH de verhouding tussen carbonaat en bicarbonaat optimaal is. Deze situatie hoeft dus niet te worden gecorrigeerd.

    Waarde van het begrip carbonaathardheid voor de aquaristiek

    Uit het voorgaande volgt nu dat de carbonaathardheid aangeeft hoe stabiel de zuurgraad van een vloeistof is, in dit geval de zuurgraad van aquariumwater. Naarmate de KH hoger is, zal de vloeistof sterker gebufferd zijn op een bepaalde pH-waarde. Dit kan heel prettig zijn als het aquariumwater de optimale pH heeft.

    Des te vervelender is het wanneer de KH weliswaar hoog is, maar het aquariumwater een verkeerde pH heeft. Met name bij een te lage pH is het dan moeilijk deze te corrigeren naar de juiste, hogere, pH zoals reeds besproken in voorbeeld 1. Naarmate de KH lager is, zal het water minder gebufferd zijn op een gegeven pH-waarde. Dit betekent dat de pH gemakkelijk kan veranderen, wat in de praktijk bijvoorbeeld problemen kan opleveren als er eens een keer gevoerd (moet) worden , waarna de pH kan gaan dalen (door het ontstaan van salpeterzuur (HNO3) bij de voedselafbraak door de bacteriën).

    Negatieve invloeden op de KH-waarde en verlaging van de pH-waarde

    C02 leidt tot verlaging carbonaat en stijging bicarbonaat: alle dieren produceren bij de ademhaling koolstofdioxide, dat vrijkomt in het aquariumwater. Ook de bacteriën in het filter en in de levende steen zijn grote CO2-producenten. 'S Nachts wordt ook door de wieren (denk eens aan de roze kalkalgen en Caulerpa) en zoöxanthellen in de lagere dieren C02 geproduceerd. De geproduceerde koolstofdioxide lost op in het aquariumwater, waardoor er een verzuring optreedt. Daarnaast reageert koolstofdioxide met carbonaat waarbij bicarbonaat ontstaat.

    Reactieverhouding:

    1 molecuul vormt 2 ionen HCO3.
    Hierdoor verschuift de verhouding tussen carbonaat en bicarbonaat ten gunste van bicarbonaat, waardoor de zuurgraad wordt gebufferd op een lagere pH-waarde. Het is dus van groot belang om de hoeveelheid C02 in het aquariumwater zo laag mogelijk te houden. Overigens bleek al uit de figuur dat bij een optimale pH van 8,3 eigenlijk geen C02 meer in het zeewater voorkomt.

    Nitraatvorming leidt tot verlaging van de KH- en pH-waarde

    Door het voeren van de dieren worden stikstof-bevattende voedseldeeltjes in het aquariumwater gebracht. De hoeveelheid stikstof die niet wordt gebruikt voor de groei van dieren en planten, zal door de bacteriën uiteindelijk worden afgebroken tot salpeterzuur, dat in het water uiteenvalt in waterstofionen (H+) en nitraationen N03-. De waterstofionen kunnen zowel met carbonaat- alsook met bicarbonaationen reageren (zie reactie 1 en 2). Op die wijze wordt dus het zuurbindende vermogen verbruikt en wordt de KH lager. Hierdoor zal de pH minder stabiel zijn. Door deze reacties verschuift ook de verhouding tussen carbonaat en bicarbonaat ten gunste van carbonaat, waardoor de zuurgraad wordt gebufferd op een lagere pH-waarde. Het is dus van groot belang om de hoeveelheid N03- in het aquariumwater zo laag mogelijk te houden.

    Skeletgroei/verkalking leidt tot verlaging van de KH-waarde

    Kalkskelet-vormende dieren zoals steenkoralen en doopvontschelpen onttrekken bicarbonaationen en calciumionen aan het aquariumwater voor de vorming van het kalkskelet. Hierdoor wordt het zuurbindende vermogen van het water kleiner, met andere woorden: de KH-waarde neemt af.

    Kalkwater + C02 leidt tot kalkvorming, dus onttrekking KH

    Kalkwater bestaat uit een mengsel van hydroxylionen en calciumionen. Deze vloeistof heeft een erg hoge pH, namelijk ongeveer 12.

    Bij de toevoeging dat mengsel word op de plaats waar kalkwater in het aquariumwater komt zo hoog, dat het carbonaat in het water direct reageert met het opgeloste calcium tot (kalk) calciumcarbonaat. Deze kalk slaat neer en verdwijnt dus uit het water.

    Door deze reactie wordt dus de KH verlaagd. De toegevoegde hydroxylionen reageren met de C02 in het aquariumwater tot bicarbonaat (waardoor de pH daalt), of in het gunstigste geval tot carbonaat, waardoor de pH weer iets stijgt. Een positief effect op zowel de KH alsook op de pH is meetbaar gedurende enige uren na het toevoegen van kalkwater, maar netto zal de KH bij voortdurend gebruik dalen onder het natuurlijke niveau.

    Uiteindelijk zal ook de gevormde carbonaat reageren met de continu geproduceerde C02 waardoor de verhouding tussen carbonaat en bicarbonaat verschuift ten gunste van bicarbonaat, zodat de zuurgraad wordt gebufferd op een lagere pH-waarde.

    Kalkreactoren leiden tot verschuiving zuurgraad naar lagere pH. Een kalkreactor is een chemische apparaat waarin door toevoeging van C02 het aquariumwater, dat circuleert in een reactorvat, verzuurt. In het reactorvat bevindt zich behalve aquariumwater ook fijnkorrelige kalk (koraalgruis of marmergruis), dat door de verzuring zal oplossen. De snelheid van oplossen wordt beïnvloed door de mate van verzuring. Door het oplossen ontstaan twee producten, namelijk calciumionen (Ca2+) en bicarbonaationen, waardoor het mogelijk is om de concentratie van deze twee typen ionen in het aquariumwater te verhogen. Dit verhogen gebeurt door per tijdseenheid een klein deel van het water uit het reactorvat terug te pompen naar het aquarium. Door de chemische reactie in het reactorvat echter verschuift de verhouding tussen carbonaat en bicarbonaat ten gunste van bicarbonaat, waar de zuurgraad wordt gebufferd op een lagere pH. Het is dus van groot belang om de hoeveelheid met de kalkreactor geproduceerde bicarbonaat zo laag mogelijk te houden, namelijk door de KH in het aquarium niet de laten stijgen boven de natuurlijke waarde van 7 - 8 odH.

    Positieve invloeden op de KH-waarde en de pH-waarde. Wieren- en algengroei verhogen de KH en de pH. Wieren (synoniem: algen) leggen met behulp van licht energie vast in de vorm van suikers. De basis van deze suikers wordt gevormd door koolstof. De koolstofbron die de wieren hiertoe gebruiken is koolstofdioxide. Dit proces, het vastleggen energie in de vorm van koolhydraten met (zon)licht als energiebron wordt fotosynthese genoemd. Behalve door wieren wordt het fotosyntheseproces ook door zoöxanthellen in bloemdieren uitgevoerd. Deze eencellige symbionthische algen zetten de C02 voornamelijk om in de koolhydraat glycerol. Het fotosynthesem proces vindt uitsluitend plaats als er voldoende licht is, dus in het aquarium alleen tijdens de belichtingsperiode. Doordat op deze manier C02 aan het aquariumwater wordt onttrokken, stijgt de pH van het aquariumwater, zoals ook af te leiden uit de figuur. De stijging gaat gepaard met een verschuiving in de verhouding tussen bicarbonaat en carbonaat en met een stijging van de KH-waarde.

    Omgaan met de KH-waarde in het aquarium

    In dit verhaal heb ik een aantal factoren weergegeven die bepalen hoe de KH-waarde ligt in een aquarium. Het is goed te bedenken dat geen enkel aquarium hetzelfde is, ook niet voor wat betreft de KH en de pH. In het algemeen gesteld is het echter zo dat er in de meeste aquaria in loop van de tijd een tendens heerst tot daling van zowel de KH, alsook de pH. Veelal probeert men door gebruik van KH- en pH-buffers (chemisch gezien meestal dezelfde samenstelling) op basis van natriumcarbonaat/natriumbicarbonaat of met behulp van een kalkreactor de waarden naar boven toe te corrigeren. Bedenk wel dat deze methoden geen enkele zin hebben als de KH waarde hoog is (meer dan 8 odH) en tegelijkertijd de pH laag is (minder dan 8). Een betere methode om de pH blijvend te verhogen en de KH te herstellen is door gebruik te maken van algen- en wierenfilters. Deze verwijderen immers het continu geproduceerde overschot van C02, waardoor de pH stijgt en de natuurlijke verhouding tussen bicarbonaat en carbonaat wordt hersteld1 Bij installatie van een dergelijk filter is de belangrijkste kwaliteit die de aquariumhouder moet hebben: GEDULD.........., want het is nu eenmaal niet zo, dat de wieren morgen al overdadig groeien, als vandaag een wierenfilter wordt geïnstalleerd.

    Plaats reactie


    Beveiligingscode
    Vernieuwen

    Ga naar boven