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Gli ioni e la conducibilità
di Walter Peris
Premessa
Nei precedenti articoli abbiamo accennato spesso ad alcune specie chimiche dotate di carica elettrica, che abbiamo chiamato ioni. Ma cosa sono, in effetti, gli ioni e che particolarità presentano per gli acquariofili?
Come detto all'inizio uno ione è una specie chimica, formato da uno o più atomi, dotato di carica elettrica, positiva (catione) o negativa (anione). Il nome catione (o anione) indica l'attitudine dello ione (un termine derivante dal greco che significa "andante") a muoversi, quando viene a trovarsi in un campo elettrico, verso l'elettrodo carico negativamente, detto catodo (o positivamente, detto anodo, per l'anione). La carica elettrica netta dello ione è data dalla sua tendenza a perdere o acquistare elettroni; ad esempio i metalli (come l'argento, l'oro, il ferro ed altri) tendono a perdere elettroni, caricandosi positivamente mentre altri elementi (come l'ossigeno ed il fluoro) tendono in prevalenza ad acquistarli, caricandosi negativamente. Vi sono infine elementi la cui tendenza ad accettare o a cedere elettroni dipende da diversi fattori; questi elementi (come il cloro, l'azoto, lo zolfo ed altri) sono in grado di caricarsi sia negativamente che positivamente (in realtà questa tendenza si manifesta nella formazione di specie chimiche più complesse, formate da più atomi e dette radicali, in cui l'elemento in questione non presenta una vera e propria carica elettrica netta). A questo punto è meglio fermarsi in quanto il discorso, per essere più corretto, dovrebbe essere approfondito, e francamente non ci sembra il caso.
Gli ioni nell'acquario
Per semplicità, limitiamoci a considerare gli ioni come entità con una carica elettrica. La conseguenza più importante è che in una soluzione acquosa (che poi è quello che interessa noi acquariofili) la somma algebrica delle cariche elettriche degli ioni presenti è sempre nulla (il che significa che si avranno tante cariche positive quante saranno le cariche negative). Negli articoli precedenti, gli ioni più importanti che abbiamo citato sono sicuramente quelli che derivano dalla dissociazione dell'acqua (H+e OH-), gli ioni nitrito (NO2-), nitrato (NO3-) ed ammonio (NH4+). Altri ioni presenti nell'acqua dell'acquario, e non meno importanti, sono gli ioni calcio e magnesio (Ca2+ e Mg2+, responsabili della durezza totale dell'acqua), lo ione ferroso (Fe2+, utile per le piante), lo ione fosfato (PO43-, utile per le alghe), lo ione rameico (Cu2+, tossico per i pesci e le piante se in grande quantità), gli ioni carbonato e bicarbonato (CO32- e HCO3-) e lo ione potassio (K+, utile alle piante).
Questi citati sono sicuramente i più conosciuti, anche se non gli unici presenti nell'acqua dei nostri acquari.
I sali e gli elettroliti
Gli ioni citati nel precedente paragrafo e tutti gli altri presenti nell'acqua degli acquari provengono tutti da sali (a parte quelli di tipica origine metabolica come l'ammonio, il nitrito e il nitrato). Un sale non è altro che una specie chimica che in acqua è in grado di dissociarsi, più o meno proveniente dal calcare presente nell'acqua di rubinetto. A questo punto cosa può accadere?
Il calcare, CaCO3, è un composto avente una solubilità molto bassa (i pochi mg per litro presenti nell'acqua di rubinetto rappresentano il limite della quantità solubile in acqua).
Dal punto di vista chimico la solubilità di un sale in acqua viene espressa come il prodotto delle singole concentrazioni degli ioni che lo compongono e questo prodotto, a una data temperatura, è costante. Questo significa che, nel caso del carbonato di calcio, avremo
[Ca2+] · [CO32-] = 1.7 · 10-8 (mol/L)2
Questo numero estremamente piccolo ci dà un'idea della scarsa solubilità del calcio carbonato. Tornando al nostro esempio, quando noi aggiungiamo del bicarbonato di sodio che cosa facciamo in pratica? Dato che lo ione bicarbonato tende a dare un equilibrio in cui è presente anche lo ione carbonato (vedere La chimica dell'acqua - 1 - Il pH) in pratica è come se noi aggiungessimo dello ione carbonato in gran quantità; la conseguenza di questa operazione è che la concentrazione dello ione carbonato aumenta e dato che il prodotto di solubilità deve restare costante, la concentrazione dello ione calcio dovrà necessariamente diminuire. Ed infatti il calcio verrà sottratto dall'acqua precipitando sotto forma di polvere bianca molto sottile e quasi invisibile di calcio carbonato. Essendo disperso nell'intero volume dell'acquario questo fenomeno sfuggirà facilmente alle nostre osservazioni. Ma ci sono due casi analoghi a questo che non possono sfuggire al nostro accurato controllo.
Quando nell'acquario è presente un aeratore, spesso capita di vedere sul tubo di gomma di quest'ultimo un deposito scuro e gelatinoso; oppure talvolta si nota sulle foglie delle nostre piante una polverina bianca ed impalpabile. Cosa sono?
Sono aspetti differenti della stessa sostanza, il carbonato di calcio.
Nel caso dell'aeratore il carbonato di calcio precipita perché l'aria espelle la CO2 dall'acqua; in questo modo il bicarbonato di calcio, che è presente e che è più solubile del carbonato, si scinde a dare CO2 e carbonato che, essendo molto meno solubile, precipita.
Per la polvere sulle foglie il processo è lo stesso, solo che la scissione del bicarbonato avviene ad opera delle piante che, assumendo CO2 tramite la decalcificazione biogenica (vedere La chimica dell'acqua - 2 - I Tamponi), fanno precipitare il carbonato di calcio.
La conduttanza
L'ultima grandezza che andiamo ad esaminare in questo articolo è un parametro chimico indispensabile per chi vuole allevare pesci normalmente abitanti acque povere di sali: la conduttanza.
Qui c'è da aprire una piccola parentesi in quanto è facile trovare su diversi testi il termine di conducibilità (o conduttività) per indicare una grandezza espressa in microsiemens (mS). In realtà la conduttività, come vedremo più avanti, non è altro che la conduttanza specifica, espressa in S/m. Chiusa la parentesi, passiamo a parlare della conduttanza.
Nelle soluzioni di elettroliti, come già visto, la corrente viene portata dagli ioni. Sotto l'influenza di un potenziale applicato i cationi e gli anioni migrano in opposte direzioni nella soluzione. La corrente totale può così essere espressa come la somma dei singoli contributi di anioni (I-) e cationi (I+):
Itot = I+ + I-
Tutti i tipi di trasferimento di corrente obbediscono alla legge di Ohm e quindi per una data differenza di potenziale V applicata in una soluzione di resistenza R, la corrente sarà
I = V / R
Per soluzioni di elettroliti l'inverso della resistenza della soluzione è detta conduttanza (G) ed è misurata in Ohm -1 o in siemens (S).
La conduttività, detta anche conduttanza specifica, è il reciproco della resistività ed esprime la corrente attraverso l'unità di area per unità di gradiente di potenziale e si misura in S/m.
In acquariofilia la conduttanza varia in un ampio intervallo che parte da valori di pochi mS, per acque molto tenere e prive quasi completamente di sali, fino a quasi 1 mS, valori tipici delle acque estremamente dure tipiche dei laghi della Rift Valley africana.
In generale valori introno ai 200/400 mS sono ideali per la maggior parte degli acquari (ricordiamo che un'acqua con bassa conduttanza ha pochi sali e pochi sali significano potere tampone molto scarso).
Conclusioni
Con questa breve ma intensa trattazione speriamo di aver contribuito a chiarire un aspetto piuttosto importante delle soluzioni acquose che normalmente troviamo negli acquari: gli ioni sono specie chimiche relativamente semplici, ma la loro chimica non lo è per nulla.
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