Het pH-kH evenwicht

Als aquariumhouder is het eigenlijk heel belangrijk om dit evenwicht goed te begrijpen. Het is niet zo simpel als het in de aquariumspeciaalzaak wordt voorgesteld: pH te hoog? Geen probleem: gebruik wat pH-verlager. kH te laag? Geen probleem: gebruik wat kH-verhoger! In dit geval zou de kH-verhoger tevens de pH doen stijgen en het effect van de pH-verlager teniet doen. Een nuloperatie dus! Het is dus belangrijk dat we eens gaan bekijken wat de pH en de kH nou eigenlijk scheikundig betekenen:

De pH is eigenlijk het negatief logaritme van de activiteit van de hydroxonium-ionen. Of simpeler gesteld: hoe hoger de concentratie aan hydroxonium-ionen hoe lager de pH. Hydroxonium-ionen stellen we scheikundig voor als: H3O+.

De kH is een maat voor de concentratie van de carbonaat en bicarbonaten of scheikundig voorgesteld: CO32- en HCO3-.

De reactie die het scheikundig evenwicht tussen hydroxoniumionen (of feitelijk de pH) en carbonaten (of feitelijk de kH) beschrijft is de volgende:

HCO3- + H3O+ ↔ CO2 + 2 H2O
CO32- + H3O+ ↔ HCO3- + H2O

Het gedrag van dit soort evenwichtsreacties kan men het best voorspellen door er het principe van le châtelier op toe te passen. Het principe van le châtelier luidt als volgt:
"Als in een chemisch systeem een verandering optreedt in concentratie, temperatuur of totale druk, met andere woorden, een evenwichtsverstoring, dan zal het evenwicht zodanig verschuiven dat die verandering tenietgedaan wordt."

De veranderingen in temperatuur en druk zijn in het aquarium te verwaarlozen. Waar we ons dus gaan op concentreren is de concentratie. Stel dat we in dit systeem nu de pH doen dalen oftewel: de concentratie van de hydroxonium-ionen doen stijgen dan reageren deze met de bicarbonaten met als gevolg dat de concentratie van de bicarbonaten afneemt. Hierdoor zorgt het tweede evenwicht ervoor dat ook de concentratie van de carbonaten afneemt. Beide hebben dus hetzelfde effect op de kH. Daarom kunnen we dit evenwicht vereenvoudigen door de tweede evenwichtsreactie even niet mee in rekening te brengen. Nu kunnen we voor elke verandering gaan voorspellen wat er zou gebeuren.

Stel dat men de pH doet stijgen. De hydroxonium-ionen zullen bijgevolg dalen waardoor de evenwichtsreactie zich naar links verplaatst. De carbonaatconcentratie zal dus stijgen en de koolstofdioxideconcentratie zal dalen.
Omgekeerd geldt dus dat als de pH daalt de carbonaatconcentratie zal dalen en de koolstofdioxideconcentratie zal stijgen.

Stel dat we de carbonaatconcentratie doen stijgen dan zal het evenwicht zich naar het rechterlid van de vergelijking verschuiven. De koolstofdioxideconcentratie zal dus stijgen en de hydroxonium-ionenconcentratie zal afnemen, met andere woorden: de pH stijgt.
Het direct laten dalen van de carbonaatconcentratie is praktisch onmogelijk in het aquarium. Of we moesten profiteren van het feit dat slakken calciumcarbonaat onttrekken aan het water om hun slakkenhuis uit op te bouwen. Maar dat zijn slechts zo'n geringe hoeveelheden dat je daar nooit ver mee zal komen.

Stel dat we de koolstofdioxideconcentratie doen afnemen dan verschuift het evenwicht zich naar het rechterlid van de vergelijking. Bijgevolg zal de carbonaatconcentratie dalen en de pH stijgen.
Omgekeerd geldt dus dat als de koolstofdioxideconcentratie stijgt de carbonaatconcentratie mee stijgt en de pH daalt.

Als we bovenstaande conclusies omdraaien weten we welke acties we moeten ondernemen wanneer de waterwaarden in ons aquarium niet optimaal zijn. En wel als volgt:

pH kH CO2 Advies
Te hoog of eerder hoog Te hoog of eerder hoog Te laag of eerder laag De pH doen dalen oftewel een zuur toevoegen. Let op: geen CO2!
Te laag of eerder laag Te laag of eerder laag Te hoog of eerder hoog De pH laten stijgen oftewel een base toevoegen . Let op: geen CO32- of HCO3-!
Te laag of eerder laag Te laag of eerder laag Te laag of eerder laag De kH doen stijgen oftewel (bi)carbonaten toevoegen.
Te laag of eerder laag Te hoog of eerder hoog Te hoog of eerder hoog CO2 -concentratie doen dalen.
Te hoog of eerder hoog Te laag of eerder laag Te laag of eerder laag CO2-concentratie doen stijgen.

We kunnen hier tevens uit besluiten dat we de pH niet zomaar mogen bijregelen a.d.h.v. koolstofdioxidedosering aangezien het ook invloed heeft op de kH. Automatische koolstofdioxideinstallaties die bestaan uit een gasfles CO2 en een pH meter die de toevoer naar het aquarium regelt zijn dus uit den boze. Als je toch een CO2 installatie wenst test de kH en pH van het water dan regelmatig en stuur de dosering handmatig bij. Maar maak zeker geen gebruik van een pH-elektrode die de toevoer automatisch regelt!

Let er bovendien op dat wanneer je dit principe gaat toepassen op het aquariumwater dat je mogelijk in het verleden al acties hebt genomen die de huidige toestand veroorzaken. Als je volgens bovenstaande tabel de pH zou moeten doen stijgen door een base toe te voegen kijk dan eerst eens of er geen turfgranulaat in het filter zit waarvan de zuren de base zouden neutraliseren. In dat geval moet je het turfgranulaat uit het filter halen en meestal zal dit al voldoende zijn. Als de CO2-concentratie zou moeten dalen kan dit bijvoorbeeld door het aquariumwater te beluchten. Dit heeft echter geen zin als je reeds met CO2-bemesting bent begonnen. In dat geval doe je er beter aan de CO2-bemesting te minderen of uit te schakelen alvorens je gaat beluchten. Probeer ook hier eerst uit of het minderen of uitschakelen van de CO2-bemesting niet reeds voldoende is om het evenwicht te herstellen en wacht tot de volgende waterverversing om te bepalen of de beluchting wel daadwerkelijk nodig is. Maar hier gaan we dieper op in in het volgende artikel over de waterwaarden van het aquariumwater.

Tot slot nog even dit: als je met je pH-kH evenwicht in het gebied zit met een hoge pH, lage kH en laag CO2-gehalte en dat laatste is lager dan 1,5 à 2 ppm dan zit er zo weinig CO2 in het aquariumwater dat er CO2 uit de atmosfeer oplost in het water. Dat wil zeggen dat het aquarium een enorme CO2 behoefte heeft en dan is het geen slecht idee om eerst even een gratis CO2-bron aan te boren: de atmosfeer. Belucht het water eens sterk voor een dag en start daarna meteen met het toevoegen van CO2. Wacht even er klopt iets niet. 1,5 à 2 ppm? Maar het CO2-gehalte in de atmosfeer is toch 0,04%? In evenwicht met de atmosfeer betekent dat toch een CO2 gehalte van 0,5 ppm in water? Dat klopt en is een mooie redenering maar we vergeten een klein ding: binnenshuis hoopt het CO2-gehalte aardig op. De concentratie is vaak 3 tot 4 keer hoger dan in de buitenlucht. En… ons aquarium staat binnen. Het was een vraag die een tijdje geleden bij de aquariumfluisteraar opkwam en het werd hem snel duidelijk. Met de theoretische 0,5 ppm kwam hij er niet. De aquariumfluisteraar had in het verleden namelijk in een plantenbak al eens geëxperimenteerd met CO2-concentraties. Geen vissen in het aquarium betekende dat hij wat hoger kon gaan en die kans kon hij niet laten liggen. Het CO2-gehalte vergelijkend met dat van water in evenwicht met de atmosfeer deed hem reeds vermoeden dat dit water niet slechts 0,5 ppm CO2 kon bevatten. Het moment brak aan dat hij zelf het CO2-gehalte wilde bepalen in water in evenwicht met de atmosfeer. Het experiment verliep als volgt: 2 emmers werden gevuld met leidingwater. De ene emmer kreeg zwavelzuur te verwerken en de andere emmer natriumhydroxide. Met wat we hierboven geleerd hebben weten we wat het gevolg was: het zwavelzuur reageerde met de bicarbonaten tot CO2 en deze emmer had een erg hoge CO2-concentratie, de aquariumfluisteraar schat hoger dan 400 ppm. In de andere emmer neutraliseerde het natriumhydroxide de aanwezige hydroxoniumionen waardoor het evenwicht verschoof en het CO2 werd omgezet in bicarbonaten om nieuwe hydroxoniumionen vrij te stellen. Het CO2-gehalte zakte dus drastisch, de aquariumfluisteraar schat naar zo'n 0,3 ppm. De ene emmer begon dus CO2 'uit te stoten' en de andere begon massaal CO2 op te nemen. De aquariumfluisteraar heeft ze een volledige week laten staan en er vervolgens een nauwkeurige kH-analyse en pH-meting op uitgevoerd.

Resultaten van de CO2-uitstotende emmer: pH = 7,3 en kH = 0,9.

En van de CO2-'slurpende' emmer: pH = 8,3 en kH = 8,5.

De aquariumfluisteraar heeft van beide emmers met deze resultaten het CO2-gehalte afgeleid en de meetfouten in rekening gebracht.

De CO2-concentratie in de ene emmer bedroeg 1,6 ± 0,4 ppm CO2 en in de andere emmer 1,52 ± 0,12 ppm CO2. Beiden bevestigen elkaar dus al is de fout op de tweede meting kleiner (logisch ook! Want met die pH veel 'verder' van de pKa van CO2!). De werkelijke CO2-concentratie ligt dus tussen de 1,40 en 1,64 ppm. Kortom: gemiddeld 1,5 ppm. Dit bevestigd trouwens ook de correcte werking van CO2-tabellen. De aquariumfluisteraar vermelde in het vorige artikel reeds dat men soms beweert dat bij gebruik van pH-verhogers of -verlagers deze tabellen niet meer werken en hij heeft ook uitgelegd waarom dit een fabeltje is. En dit is het bewijs. Als de tabellen door dit soort toevoegingen onbruikbaar zouden worden zou hij nooit overeenkomende resultaten zijn uitgekomen.

Help mijn labyrintvissen willen geen CO2!
Vaak wordt beweerd dat je moet oppassen met CO2-bemesting als je labyrintvissen houdt omdat CO2 zwaarder is dan lucht en door de atmosfeer boven het aquarium wordt geabsorbeerd en daar blijft hangen. Dat is ook zo en biedt als voordeel dat er minder CO2 verloren gaat naar de atmosfeer. Over labyrintvissen moet u zich echter geen zorgen maken. Dankzij de extra CO2 wordt er in het aquarium ook veel zuurstof geproduceerd. De planten hebben namelijk meer CO2 ter beschikking en produceren dus ook meer zuurstof. Dit zuurstofgas wordt eveneens geabsorbeerd door de atmosfeer (of zie je vaak met bellen tegelijk opstijgen uit het aquarium) en zorgt ook hier voor voldoende zuurstof, ook voor de labyrintvissen.