L'equilibrio ionico dell'acqua
Il discorso che andiamo ad affrontare richiede una certa dose di attenzione e di dimestichezza con la matematica che non tutti hanno.
Per chi non volesse farsi venire una cefalea nel tentativo di comprendere tutti i passaggi, consigliamo di saltare tutta questa parte e di leggere solo le note finali di questo paragrafo, riguardanti il pH. Per gli stoici che vogliono affrontare il discorso da un punto di vista più completo, possiamo dire che ciò che dà all’acqua un’importanza particolare per noi acquariofili, è la possibilità che la sua molecola si possa scindere in due pezzi, detti ioni, dando origine a reazioni di dissociazione del tipo

Questa espressione, detta equazione chimica, mostra un segno algebrico di uguaglianza (=) che separa i due membri; il segno di uguaglianza sta a significare che la reazione, così come è scritta, rappresenta un equilibrio chimico, cioè essa può essere letta sia da sinistra a destra che al contrario. In pratica possiamo dire che nell'acqua si verificano due reazioni contemporanee in cui due molecole reagiscono tra loro per formare i due ioni scritti a destra, mentre, contemporaneamente, altri due ioni, uguali a quelli scritti a destra, reagiscono tra loro per formare due nuove molecole di acqua, come indicato a sinistra. Queste reazioni sono in continuo divenire ed a un certo punto la velocità della prima uguaglierà quella della seconda: saremo quindi arrivati all'equilibrio. Questo equilibrio può essere espresso matematicamente con un’espressione, detta costante di equilibrio, il cui valore, una volta fissate temperatura e pressione, resta sempre lo stesso. In particolare, per la reazione scritta sopra, possiamo dire che

I valori scritti tra parentesi quadra rappresentano le concentrazioni delle specie chimiche in questione, espresse in moli per litro (mol/L). In realtà la quantità di molecole d’acqua che reagiscono per dare origine a questa reazione è una frazione estremamente piccola delle molecole di acqua presenti e quindi in questa espressione la concentrazione dell'acqua, che compare al denominatore, è talmente grande da poterla considerare invariata, e pertanto costante. Il suo valore potrà quindi essere inglobato in una nuova costante secondo la seguente equazione:

dove Kw è determinabile sperimentalmente ed è pari a 10-14 (mol/L)2. Questa Kw è detta "prodotto ionico dell'acqua". La conseguenza più importante di tutto questo è che all'equilibrio i due ioni H3O+ e OH- saranno in quantità uguali e, quindi, l'equazione qui sopra potrà essere scritta come:

da cui, calcolando la radice quadrata, si ottiene

Questo valore è estremamente piccolo (corrisponde a 0,0000001); dato che i numeri in gioco possono variare anche di diversi ordini di grandezza, è più conveniente esprimerli come logaritmi decimali. Quindi, l'ultima equazione diventerà:

cioè

che cambiato di segno diventa, all'equilibrio

Definendo -lg [H3O+] come "pH", ecco che abbiamo la più famosa espressione della concentrazione di ioni idrossonio, la specie acida dell'acqua (in realtà sarebbe più corretto parlare di attività e non di concentrazione, ma questo è un argomento più teorico che possiamo tranquillamente trascurare). Una nota di colore; si legge, spesso, che la "p" di pH sta a significare "pondus". Questa leggenda deriva da un vecchio testo tedesco che per primo introdusse questa definizione. Nulla di più sbagliato. In altri testi si legge che "p" sta ad indicare l’operatore matematico "-log". Ebbene, nulla di più sbagliato anche qui. La "p" di pH sta ad indicare…una "p". In pratica, il primo chimico che si cimentò in questi calcoli si trovò a dover usare delle lettere per abbreviare certe grandezze ed utilizzò la "p", insieme ad altre, che, alla fine, rimase nell’espressione del risultato finale. Nulla di così suggestivo e romantico, quindi, nel simbolo di pH. Ma, ora, torniamo a cose più serie. Come tutti sanno, i valori di pH inferiori a 7 (cioè con potenze di 10 tra 0 e -7) stanno ad indicare soluzioni acide, mentre i valori superiori a 7 (cioè con potenze di 10 tra -7 e -14) stanno ad indicare soluzioni alcaline. Il significato è abbastanza ovvio: più la potenza di 10 diminuisce (in valore assoluto) più la concentrazioni di ioni idrossonio aumenta, e quindi aumenta l'acidità. Più la potenza di 10 aumenta (sempre in valore assoluto) più la concentrazione di ioni idrossonio diminuisce, aumentando perciò la basicità delle soluzioni. In generale, possiamo dire che avremo soluzioni acide quando il valore di pH sarà compreso tra 0 e 7, mentre avremo soluzioni alcaline, o basiche, quando il valore di pH sarà compreso tra 7 e 14, anche se valori esterni a questo intervallo, invero non comuni, sono ammessi. E' necessario, infine, porre l'accento sulla conseguenza più importante che deriva dall'uso dei logaritmi: il passaggio di pH da una unità ad una immediatamente successiva, o precedente, comporta in realtà una variazione della concentrazione di ioni idrossonio pari a 10 volte.
Tenendo presenti le caratteristiche di animali e piante presenti nelle acque si può affermare che: