Ευχαριστώ πολύ τους "Χημικούς" της παρέας..
Έψαξα και βρήκα μπόλικα πραγματάκια.. Και με μεγάλη μου χαρά μπορώ να πω ότι διαφωτίστηκα πλήρως για το όλο θέμα.. Την κατάλαβα την όλη λογική, αλλά όταν προσπάθησα να κατασκευάσω μόνος μου το πινακάκι KH, CO2, pH, κάπου πρέπει να κάνω κάποιο λάθος με τα νούμερα και παίρνω αποκλίσεις..
Πάντως, είναι αρκετά ενδιαφέροντα όλα αυτά, και νομίζω ότι αξίζει τον κόπο ένα αρθράκι που να μαζεύει τις "θεωρίες της χημείας", και να κρατάει τα βασικά από αυτά, όσα δηλαδή βρίσκουν εφαρμογή στα περί ενυδρείων. Παρόλο που διάβασα πολλά για το pH, το buffering, τον τρόπο υπολογισμού του KH, και τα CO2/ΗCO3-/CO3--, δε βρήκα κάποιο άρθρο που να τα μαζεύει και να τα παρουσιάζει απλοποιητικά, για όλους όσους ασχολούνται με ενυδρεία και τους άρεσε η Χημεία στο Λύκειο..
Αυτό που θα ήταν ωραίο, είναι ένα αρθράκι με τον ορισμό του pH, τον ορισμό του KH, και μια πλήρη περιγραφή (με νούμερα πια) του πώς ποσοτικοποιείται η επίδραση της συγκέντρωσης CO2 και CaCO3 στην τιμή του pΗ, και πώς βγαίνουνε αυτά τα περιβόητα πινακάκια..
Έχετε βρει πουθενά κάτι τέτοιο? Αν όχι, αξίζει λέτε τον κόπο να κάνω ένα τέτοιο μάζεμα? Υπάρχουν άλλοι ενδιαφερόμενοι? Ή αρκούν τα πινακάκια? Σίγουρο είναι ότι θα χρειαστεί διορθώσεις (και κάποια βοήθεια) από κάποιον παλιότερο, και καλύτερο γνώστη του θέματος, γιατί εγώ έχω κάποια κενά ακόμα.. Υπάρχει άραγε κανένας συν-εθελοντής?
-------------------------
Λοιπόν, κανείς δεν απάντησε.. Εμένα πάντως μου φάνηκε αρκετά ενδιαφέρον το θέμα, και έκατσα και μάζεψα πληροφορίες, έκανα μπόλικες παραδοχές και πράξεις, και έγραψα τα παρακάτω.. Κάπου μπορεί να κάνω κάποιο λάθος, καθώς η σχέση που κυκλοφορεί είναι:
CO2 (mg/lt) = 3.0 * KH * 10^(7-pH)
αντί για
CO2 (mg/lt) = 3.655 * KH * 10^(7-pH)
που έβγαλα εγώ.
Εδώ λοιπόν, αν υπάρχει κάποιος παλιός, έμπειρος και γνώστης χημείας, με διάθεση να κάνει διορθώσεις, και αν το άρθρο είναι γενικότερα ενδιαφέρον (και όχι μόνο για μένα..), μπορούμε να το κάνουμε ένα ωραίο αρθράκι, σε κάποιο υπόμνημα ίσως του forum, ή οπουδήποτε αλλού!
Φιλιά σε όλους!
Ακολουθεί το "άρθρο":
Σε ένα διάλυμα, ως pΗ ορίζεται ο αντίθετος (δεκαδικός) λογάριθμος της συγκέντρωσης κατιόντων υδρογόνου H+ σε mol/lt. Είναι δηλαδή:
pΗ=-log[Η+]
Σημειώνεται βέβαια ότι ο παραπάνω ορισμός είναι απλοποιητικός, καθώς το pΗ αναφέρεται στη δραστικότητα των ιόντων H+, δηλαδή στην
"ικανότητά" τους να αντιδρούν με άλλες ουσίες, η οποία δεν είναι πάντα ίση με τη συγκέντρωση τους σε ένα διάλυμα, αλλά επηρρεάζεται και
από άλλους παράγοντες, οι οποίοι όμως δεν εμπίπτουν στο πεδίο ενδιαφέροντος του παρόντος άρθρου.
To καθαρό νερό Η2Ο διαλύεται σε H+ και OH-. Ισχύει ότι:
Kh=[H+][OH-]=1e-14(mol/lt)^2
Καθώς όμως το καθαρό νερό είναι ουδέτερο, πρέπει:
[Η+]=[ΟΗ-]
Συνδυάζοντας τις δύο παραπάνω σχέσεις έχουμε:
[H+][H+]=1e-14(mol/lt)^2 => [H+]=1e-7mol/lt
Έτσι, το pΗ του νερού είναι ίσο με -log1e-7=7.
Όταν λοιπόν το pH ενός διαλύματος είναι ίσο με 7, το διάλυμα είναι ουδέτερο ([H+]=[ΟΗ-]).
Μικρότερο pΗ αντιστοιχεί σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις H+ (και μικρότερες συγκεντρώσεις OH-), και το διάλυμα είναι όξινο, ενώ μεγαλύτερο
pΗ αντιστοιχεί σε μικρότερες συγκεντρώσεις H+ (και μεγαλύτερες συγκεντρώσεις OH-), και το διάλυμα είναι βασικό (ή αλκαλικό).
Αντίστοιχα, ορίζεται και το pOH=-log[ΟΗ-]. Σε κάθε περίπτωση είναι:
Kh=[H+][OH-]=1e-14(mol/lt)^2 => pΗ+pOH=14
Όταν διαλύεται στο νερό ένα ισχυρό οξύ, π.χ. HCl, τότε:
HCl -> H+ + Cl-
Η παραπάνω αντίδραση είναι απλοποιητική. Στην πραγματικότητα:
HCl + Η2Ο -> H30+ + Cl-
Αν διαλυθούν λοιπόν 0.01mol/lt HCl, το pH γίνεται -log1e-2=2.
Εδώ τα ιόντα H+ από το νερό δε λαμβάνονται υπ'όψιν γιατί είναι αμελητέα (1e-7mol/lt σε σχέση με τα 1e-2mol/lt που προέκυψαν από το HCl).
Για ασθενή οξέα, η αντίδραση δεν ολοκληρώνεται πλήρως. Έτσι, για το ανθρακικό οξύ H2CO3 που θα μας απασχολήσει παρακάτω, έχουμε:
H2CO3 <-> H+ + HCO3-
HCO3- <-> H+ + CO3--
και ορίζονται οι σταθερές:
Ka1=[H+][HCO3-]/[H2CO3]=2.5e-4mol/lt => pKa1=-logKa1=3.60
Ka2=[H+][CO3--]/[HCO3-]=5.61e-11mol/lt => pKa2=-logKa2=10.25
Παρόλο που οι παραπάνω αντιδράσεις είναι θεωρητικά σωστές, το H2CO3 εμφανίζεται στο νερό μόνο όταν υπάρχει διαλυμένο διοξείδιο του
άνθρακα CO2. Έτσι, η 1η αντίδραση γίνεται:
CO2 + H20 <-> H+ + HCO3-
με Ka=[H+][HCO3-]/[CO2]=4.3e-7 => pKa=-logKa=6.36
Aπό την παραπάνω εξίσωση προκύπτουν οι εξής χρήσιμες σχέσεις:
pKa=-log([H+][HCO3-]/[CO2]) =>
pKa=-log[H+]-log([HCO3-]/[CO2]) =>
pKa=pH-log([HCO3-]/[CO2]) =>
pH=pKa+log([HCO3-]/[CO2]) => (1η σχέση)
log([HCO3-]/[CO2])=pH-pKa =>
[HCO3-]/[CO2]=10^(pH-pKa) (2η σχέση)
Η 2η σχέση σημαίνει ότι όταν το pΗ είναι μεγαλύτερο από το pKa, τότε 10^(pH-pKa)>1, οπότε [HCO3-]>[CO2], και αντίστροφα.
Αντίστοιχα, παίρνουμε:
[CO3--]/[ΗCO3-]=10^(pH-pKa2)
Από την τελευταία, προκύπτει ότι ακόμη και για σχετικά υψηλές (για ενυδρεία) τιμές του pΗ, έστω 8.5, είναι:
[CO3--]/[ΗCO3-]=10^(8.5-10.25)=0.018=1.8%
δηλαδή ελάχιστο HCO3- μετατρέπεται σε CO3--. Η ποσότητα αυτή λοιπόν, στα παρακάτω αμελείται.
Έτσι, το pH του νερού, εξαρτάται από το λόγο των συγκεντρώσεων HCO3- και CO2, σύμφωνα με την 1η σχέση:
pH=pKa+log([HCO3-]/[CO2])
Σε πρώτη φάση, η συγκέντρωση CO2 εξαρτάται από την πίεση pCO2 του CO2 που έρχεται σε επαφή με το διάλυμα:
[CO2]=pCO2/kH, με kH=29.76atm/(mol/lt) (σταθερά του Henry)
Στην περίπτωση του ενυδρείου, η συγκέντρωση CO2 προφανώς είναι διαφορετική, καθώς επηρρεάζεται από την αναπνοή των ψαριών, τη φωτοσύνθεση
των φυτών και από την ενδεχόμενη παροχή CO2 από εμάς. Σε πρώτη φάση, απλοποιητικά, ας δούμε τι γίνεται εκτός ενυδρείου.
Στην ατμόσφαιρα, λοιπόν, pCO2=3.5e-4, και επομένως [CO2]=1.18e-5mol/lt
Για να είναι το διάλυμα ουδέτερο, πρέπει οι συγκεντρώσεις ανιόντων και κατιόντων να είναι ίσες:
[H+]=[HCO3-]+[OH-]
Επομένως, προκύπτει:
[H+][HCO3-]/[CO2]=4.3e-7 =>
[H+]([H+]-[ΟΗ-])/[CO2]=4.3e-7 =>
[Η+]^2-[H+]*[OH-]=4.3e-7*[CO2]
[H+]^2=4.3e-7*1.18e-5+1e-14
[Η+]=2.25e-6, και επομένως pH=5.65
Αυτό είναι και το φυσικό pΗ του αποσταγμένου νερού.
Γιατί όμως το pH του νερού της βρύσης έχει μεγαλύτερο pΗ?
Αυτό οφείλεται στην ανθρακική σκληρότητα, KH.
ΚΗ είναι η συγκέντρωση ανθρακικών αλάτων (π.χ. CaCO3, MgCO3) στο νερό.
1dKH είναι 10mg/lt (10ppm) CaO. Αν λάβουμε υπ'όψιν τα ατομικά βάρη:
Ca=40
O=16
C=12
H=1
προκύπτει ότι 1dΚΗ αντιστοιχεί σε:
{40/(40+16)}*10ppm = 7.143ppm Ca++
και επομένως σε:
(162/40)*7.143ppm = 28.929ppm Ca(ΗCO3)2
(όπου 162 είναι το μοριακό βάρος του Ca(ΗCO3)2)
άρα σε:
(122/162)*28.929ppm = 21.786ppm HCO3-
(όπου 122 είναι το βάρος των 2 ριζών ΗCO3- που περιέχονται σε ένα μόριο Ca(ΗCO3)2)
Αυτά μετατρέπονται σε:
(7.143mg/lt)/(40mol/gr)=1.786e-4 mol/lt Ca++
και
(21.786mg/lt)/(61mol/gr)=3.571e-4 mol/lt HCO3-
Αυτή η πρόσθετη συγκέντρωση HCO3- έχει ως αποτέλεσμα τη μετατόπιση προς τα αριστερά της αντίδρασης:
CO2 + H20 <-> H+ + HCO3-
Επομένως, έχουμε μείωση των Η+, αύξηση του pΗ και αύξηση του CO2.
Αν θελήσουμε να ποσοτικοποιήσουμε τα παραπάνω, πρέπει να λάβουμε υπ'όψη ότι για να είναι το διάλυμα ουδέτερο, πρέπει:
[Η+]+2*[Ca++]=[HCO3-]+[OH-] =>
[HCO3-]=2*[Ca++]+[Η+]-[OH-]
Το 2 στην παραπάνω σχέση υπάρχει λόγο του διπλάσιου φορτίου του Ca++.
Είναι όμως:
[Ca++]=KH*1.786e-4 mol/lt
Για 6<pΗ<8, είναι 1e-8<[Η+]<1e-6
Προφανώς, θα είναι και 6<14-pΟΗ<8 => 8>pΟΗ>6, άρα και 1e-8<[OH-]<1e-6.
Συνεπώς, η συγκέντρωση H+ και OH- μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα σε σχέση με το Ca++, οπότε θα είναι:
2*[Ca++]=[HCO3-]
Σημειώνεται εδώ ότι τέτοιες απλοποιήσεις μπορούμε να κάνουμε μόνο όταν έχουμε πρόσθεση, π.χ.:
0.1+0.0001=0.1001, που είναι περίπου ίσο με 0.1
Αντιθέτως, στον πολλαπλασιασμό:
0.1*0.0001=0.00001!
Ισχύει επίσης:
[H+][HCO3-]/[CO2]=4.3e-7
Επομένως:
[Η+]*(2*[Ca++])/[CO2]=4.3e-7 =>
[CO2]=2*[H+]*[Ca++]/4.3e-7=
=2*10^(-pΗ)*KH*1.786e-4mol/lt/4.3e-7=
=830.7*KH*10^(-pH)mol/lt=
=830.7*KH*10^(-pH)mol/lt=
=8.307e-5*KH*10^(7-pH)mol/lt
που αντιστοιχεί σε:
(8.307e-5*KH*10^(7-pH)mol/lt)*(44gr/mol) =>
CO2 (mg/lt) = 3.655 * KH * 10^(7-pH)
Η παραπάνω σχέση είναι αυτή που χρησιμοποιείται στα διάφορα πινακάκια pH/CO2/KH, και έχει ερμηνευθεί πολλές φορές και σε άρθρα του forum,
και αλλού. Από τη σχέση προκύπτει ότι:
- Αύξηση του CO2 προκαλεί μείωση του pH.
- Η μεταβολή του pΗ δεν είναι συνάρτηση της συγκέντρωσης CO2, αλλά του λόγου CO2/KH. Επομένως, όσο μικρότερο είναι το KH, τόσο πιο
ευαίσθητο είναι το pH σε αυξομειώσεις της συγκέντρωσης CO2.
Σημειώνεται τέλος ότι όλες οι παραπάνω σταθερές εξαρτώνται από τη θερμοκρασία. Οι συγκεκριμένες τιμές αντιστοιχούν σε 25C και επομένως
μπορούν να θεωρηθούν αντιπροσωπευτικές για ένα ενυδρείο.
Πηγή: en.wikipedia.org
-------------------------
Δεν ενδιαφέρεται κανείς, τελικά?