Akvarijumska voda - pH vrednost i puferi

Sa stanovišta akvaristike, pH vrednost akvarijumske vode je vrlo značajna i ona nam nedvosmisleno govori o mnogim hemijskim i biološkim reakcijama koje se dešavaju u vodi a naš zadatak kao akvarista je da na jedan najbolji način pokušamo da pH vrednost održimo na nekoj prihvatljivoj vrednosti. Naš akvarijum je u suštini jedan mali sistem gde vrlo lako može doći do drastičnih promena koje će izazvati neželjene efekte ili čak dovesti do uginuća akvarijumskih riba.

Po jednoj gruboj podeli rastvora oni se dele na osnovu osobina njihovih molekula u pogledu otpuštanja ili primanja protona. Rastvarači koji primaju protone (akceptori) ili drugim rečima bazni rastvarači su protofilni. Rastvarači koji otpuštaju protone (donori) ili kiseli rastvarači su protogenični. Rastvarači koji niti otpuštaju niti primaju protone su aprotični a rastvarači koji se ponašaju i kao protogenični i kao protofilni nazivaju se amfiprotični rastvori. Dobri primeri za amfiprotične rastvore su alkohol i voda.


ph.jpg

Ako posmatramo čistu vodu čiji molekuli su sastavljeni od dva atoma vodonika i jednog atoma kiseonika i ako pokušamo da odredimo njenu provodljivost doći ćemo do nekih pokazatelja da u vodi postoje aktivni vodonični (hidronijum H3O ) joni što deluje i logično jer je voda amfiprotična a njihova koncentracija je izuzetno niska i jonski produkt je 1x10-14 mol dm-3.

Sve ovo nam govori da je jedan izuzetno mali deo vode disosovao ili prešao u jonski oblik. S obzirom da nas ovde više interesuje akvaristika a ne hemija onda ću da sve ovo uprostim a sve to može da se iskaže na sledeći način:

H2O + H2O <=> H3O+ + OH -

Ovde je za nas bitno da je jonska aktivnost vode odnosno keoeficijenat aktivnosti H3O konstantan. U tačno neutralnom rastvoru, koncentracija H3O i OH- jona je jednaka i svaka iznosi vKw , gde je Kw konstanta disocijacije, pa iz toga sledi da je koncentracija H3O i OH - jona 10-7 mol dm-3. Pošto su ove vrednosti izražene eksponentima, usvojen je predlog da se koristi negativni logaritam tih vrednosti pa smo mi na kraju došli do nama prepoznatljivog oblika prikazivanja pH vrednosti a to su celi brojevi.

Ako posle ovoga želimo da kažemo šta je pH onda bi najprikladnije bilo da to definišemo kao negativni logaritam aktivnosti vodoničnih jona (a) ili formulom pH = - log aH .

Sve ovo gore navedeno se odnosi na čistu vodu a naša stvarnost je daleko od toga i voda koju mi koristimo ima sasvim neke druge vrednosti. Te vrednosti su različite i mi nikako ne smemo zaboraviti da pomak pH vrednosti od jedan ili dva, u stvari znači da se ona promenula deset ili sto puta. Baš ova činjenica nam govori zašto je pH toliko bitan i zašto pH toliko utiče na ribe a ujedno i da nikada drastično ne menjamo pH vrednosti. Mnogo bolja opcija kod korigovanja pH je da se voda propušta kroz humus koji sadrži organske kiseline nego da se direktno koriste neorganske kiseline.

Jedna stvar o kojoj se malo govori u akvaristici je promena pH. Nekako ustaljeno mišljenje je da kada jednom dovedemo pH na neki željeni nivo on tu stoji. To nije tačno i o tome biće reči u daljem izlaganju a koje se odnosi na razne situacije promene i održavanja pH vrednosti.

Ako posmatramo čistu vodu koja je teoretski neutralna i merenjem mi ustanovimo da je njena pH vrednost oko 7 i kao takvu ostavimo da stoji, brzo ćemo ustanoviti da njena pH vrednost opada i da može da se spusti do nekih 5.3. Uzrok tome je ugljen dioksid koji se nalazi u vazduhu i koji se rastvara u vodi gde dolazi do sledeće hemijske reakcije:

( H 2O + CO2 <=> H2CO3 ) + H 2O<=> ( H3O+ + HCO3- )

Iz gornje formule se jasno vidi da je došlo do nastajanja hidronijum jona H3O+ i to je razlog opadanju pH vrednosti.

U ovakvoj situaciji, kada je koncentracija rastvorenog ugljendioksida velika, kod riba dolazi do "gušenja" i to je lako prepoznati jer one izlaze na površinu vode u svom nastojanju da dodju do kiseonika. Pogrešno je mišljenje da je to prouzrokovano opadanjem rastvorenog kiseonika u vodi. Koncentracija rastvorenog kiseonika je ostala nepromenjena a uzrok tome je smanjena sposobnost riba da otpuste ugljendioksid putem svojih škrga. Kod takve situacije ne pomaže ni povećana aeracija vode jer se ugljendioksid lako rastvara u vodi a zahteva vreme da bi se istisnuo iz nje i kao jedino rešenje je u brzoj zameni vode. Mislim da je nepotrbno naglašavati da zagrevanje vode nije rešenje u ovakvoj situaciji.

Da bi izbegli situacije kao u gornjem primeru mi treba da obezbedimo da je akvarijumska voda jedan dobar puferski sistem. Puferi su supstance ili smeše supstanci koji imaju sposobnost da vezuju protone i hidriksilne jone a da pri tome bitno ne menjaju reakciju njihovih rastvarača. Kao takvi oni imaju sposobnost da se odupru hemijskim promenama sredine. Jedan odličan pufer za akvaristiku je kalcijum karbonata.

Kalcijum karbonat (CaCO3) je slabo rastvoran u vodi i kao takav neće bitno da utiče na sredinu. Pored toga, da bi se rastvorio, on mora prvo da se prevede u bikarbonatni oblik a ta reakcija može da se prikaže ovako:

CaCO3 + ( CO2 + H2O <=> H2CO3 ) <=> Ca(HCO3)2

Iz gornje formule jasno se vidi da će rastvoreni ugljendioksid da reaguje sa kalcijum karbonatom i da neće da dode do velike oscilacije u promeni pH. Mnogo brža reakcija može da se postigne ako je kalcijum karbonat u praškastom ili zrnastom obliku jer se time dolazi do velike dodirne površine izmedu ugljendioksida i kalcijum karbonata.

Važnost ovog procesa je velika jer je ugljendioksid uvek prisutan i mi jednostavno ne možemo da ga izbegnemo a on drastično menja vrednost pH vode. Njegovim prevodenjem u kalcijum bikarbonat mi smo neutralisali H3 jone i odupreli se promeni pH vrednosti.

Još jedan konstantan proces koji se odvija u akvarijumu je i nitrifikacija gde je krajnji produkt azotna kiselina koja drastično menja pH vrednost osim ako se ne neutrališe na neki način. Tu opet može da nam pomogne kalcijum karbonat koji se prvo prevede u kalcijum bikarbonat po već opisanom gornjem principu. Tu neutralizaciju azotne kiseline možemo da prikažemo na sledeći način:

Ca(HCO3)2 + 2HNO3 => Ca(NO3)2 + 2H2CO3

Ugljena kiselina potom može da reaguje sa kalcijum karbonatom ili da napusti sredinu razlaganjem na ugljendioksid i vodu.

H2CO3 => H2O + CO2

Ovaj do sada opisani način održavanja stabilnosti pH nije tako brz ali je vrlo efikasan u jednom dobro osmišljenom akvarijumskom sistemu. Ako smo u situaciji da mi moramo na neki brži način da korigujemo pH vrednost onda možemo da koristimo natrijum bikarbonat ali pri takvoj radnji mi moramo da vodimo računa da se pH vrednost menja rapidno a to zahteva dodavanje natrijum bikarbonata u manjim količinama i stalnu proveru pH vrednosti vode.

Kod procesa redukcije, nama poznatijeg kao denitrifikacija, reakcija se odvija u drugom smeru jer bakterije odstrane kiseonik za svoje potrebe iz nitrata, nitrita, amonijaka ili iz amonijum jona, pri tome se izdvoji elementarni azot koji kao takav napusti sistem, a kalcijum jon ostane slobodan. Ta reakcija može da se izrazi ovako:

Ca2+ + ( 2NO3- + Bakterije => N2 ) + H2O => Ca2+ + 2OH- + H2

Iz ove gornje formule može se videti da u akvarijumu u kome se puferski sistem bazira na kalcijum karbonatu dolazi vremenom do povećanja pH usled nastajanja slobodnog jona kalcijuma koji disosuje molekul vode i stvara kalcijum-hidroksid. To je iz razloga što se brže odvija oslobadanje jona kalcijuma procesom denitrifikacije nego njihovo vezivanje za prisutnu ugljenu kiselinu. Iz ovoga se jasno vidi da pH vrednost može da ostane neutralna, odnosno da se neutrališe jon kalcijuma, samo ako se bikarbonat formira ugljenom kiselinom a nitrati nitrifikacijom. Ovaj proces je vrlo kompleksan i sve te promene mogu da se vide u jednom akvarijumu u kome je denitrifikacioni proces izražen a puferski sistem je zasnovan na kalcijum karbonatu.

Kada je reč o amonijaku kao krajnjem produktu raspadanja proteina njegov proces zavisi od pH same sredine. Ako je pH vrednost manja od 7 onda se molekul amonijaka odmah pretvori u amonijum jon dok u sredini gde je pH veći od 7, amonijak će da delimično prede u amonijum jon i kako je pH vrednost sredine sve veća i veća broj amonijum jona će da bude sve manji i mnaji jer opada i broj H3O jona. Ovaj podatak nam odmah govori da je u sredini gde je pH veći od 7, situacija mnogo komplikovanija za naše ribe jer je prisutan više otrovni molekul amonijaka.

U kiseloj sredini amonijak prelazi u amonijum jon po sledećoj formuli:

NH3 + H3O+ => NH4+ + H2O

Bez obzira na pH sredinu, bakterije oksiduju amonijak ili amonijum u nitrite i za taj proces koriste rastvoreni kiseonik u vodi. U alkalnoj sredini taj proces se odvija po sledećoj formuli i tu može da se vidi da je u pitanju amonijak a ne amonijum:

4NH3 + 4OH-+ 5O2 => 4HNO2 + 6H2O

Ako je sredina kisela onda je u pitanju amonijum jon i reakcija se odvija po sledećoj formuli:

2NH4+ + H2O + 3O2 => 2HNO2 + 2H3O+

Kao što se vidi iz formule, ovde dolazi do stvaranja H3O- jona koji će još da poveća kiselost sredine ako se u sredini ne nalazi pufer koji će da apsorbuje H3O- jon. Ova reakcija je vrlo važna u sredinama gde je korišcena vrlo mekana voda ili voda iz dejonizatora ili RO uredaja jer pH vrednost može izuzetno brzo da opadne do niških vrednosti. Mekana voda ima vrlo slabi puferski kapacitet i svi koji koriste takvu vodu moraju da redovno kontrolišu pH vrednost.

U daljem procesu druge bakterije prevode nitriti u nitrate i reakcija se odvija po sledećoj formuli:

2HNO2 + O2 => 2HNO3

U ovoj fazi nitrati se dalje prevode, putem denitrifikacije, sve do elementarnog azota. Taj proces preuzimaju aerobne bakterije koje imaju mogućnost da u anaerobnim uslovima svoju potrebu za kiseonikom zadovolje putem denitrifikacije. Redukcija nitrata se odvija sledećim redosledom:

NO3- => NO2- => NO => N2O => N2

Krajnji produkat je elementarni azot koji napušta sredinu. Ta redukcija nitratnog jona može da se predstavi sledećom formulom:

10(H+) + 2HNO3 => N2 + 6H2O

Iz ovog gornjeg primera se vidi zašto je važno da se u akvarijumu organizuje proces denitrifikacije jer taj proces koristi hidronijum jon pa samim tim deluje i kao pufer. Za redukciju dva jona nitrata iskorišcena su čak 10 hidronijum jona.

Iz svega ovoga može jasno da se vidi zašto je toliko važao da se organizuje dobar puferski sistem, pogotovo karbonatni, kome mi u akvaristici treba da damo primarni akcenat i da se pre opredelimo za jedan takav sistem nego da koristimo sulfate za korekciju pH a koji nemaju puferski kapacitet. Tu pogotovo treba da se skrene pažnja da u jednom sistemu gde se pH koriguje sa većom količinom sulfata može da dode do ozbiljnih problema prilikom redukcije sulfata. U akvaristici se koristi termin "denitrifikacija" i za redukciju sulfata bez obzira što nisu u pitanju nitrati. Prilikom redukcije sulfata dolazi do stvaranja vodonik sulfida koji je poguban za ribe. Redukcija sulfata se odvija sledećim redosledom a obavljaju je prave anaerobne bakterije koje nastaju izuzetno brzo u sredinama gde nema kiseonika:

8(H+) + SO42- => H2S + 2H2O + 2OH-

Kolika je složenost svih procesa od kojih zavisi pH akvarijumske vode možemo samo da nagadjamo. Tu se dešavaju mnogi procesi koji zavise od kvaliteta vode koju koristimo. Svaki taj proces ima neki svoj udeo u uspstavaljanju pH vrednosti. Tu utiče i populacija riba koju mi imamo kao i način ishrane i tip hrane. Sve to kada stavimo zajedno mi dolazimo do neke vrednosti pH koja može da se menja bez neke nama vidljive logike. Mi ipak treba da redovno menjamo vodu pa samim tim i da obnavljamo pufersku sposobnost vode. Promena vode ne sme da bude velika jer može da dode do drastične promene pH vrednosti ali isto tako mora da bude zadovoljavajuća da bi se odstranio odredena količina štetnih sastojaka. Ako je naš akvarijum preopterećen i mi moramo da menjamo veću količinu vode onda je bolje da to radimo cešce ali po manje.

Voda koju dodajemo treba da je ispravna za akvarijumsku upotrebu a ako koristimo dejonizovanu ili destilovanu vodu onda obavezno treba da joj dodamo minerale. Za to može da nam posluži tvrda voda koju posedujemo ili sami da joj dodamo minerale. Smeša od 25% kalcijum karbonata, 25% magnezijum sulfata i 50% soli za morsku akvaristiku je odličan dodatak minerala za akvarijum. Morska so ima izuzetno puno elemenata u tragovima koji su neophodni našim ribama a na koje mi ne obraćamo pažnju. Ova smeša se sipa u vodu, dobro izmuti a potom dodaje u zavisnosti od potrebe. Kada dobijemo željenu provodljivost onda je takva voda spremna za upotrebu.

O problematici pH može puno da se diskutuje jer je svaki akvarijum priča za sebe i teško je da se odrede neka univerzalna pravila. Ipak tu je nešto zajedničko a to je da je prisustvo kalcijum karbonata u svojstvu pufera uvek dobrodošlo čak i kod riba koje zahtevaju mekanu vodu. Pufer je naš saveznik i mi treb da ga maksimalno iskoristimo. To posebno važi za morsku akvaristiku gde pH igra izuzetno veliku ulogu a teško je da se održava na nekoj konstantnoj vrednosti.

Za ovaj tekst su korišceni neki termini koji se razlikuju od pravih izraza koji se koriste u hemiji a sve s ciljem da pojednostavi sve ovo i kao takvo da približi ovu problematiku svakom ko bude čitao ovaj tekst. Primer takvog izražavanja je natrijum bikarbonat koji bi po pravilima hemije trebalo da se nazove natrijum hidro karbonat. Pored toga sve hemijske reakcije su pisane tako da mogu jasno da pokažu suštinu same reakcije.

 

Comments