I tamponi KH e GH
di Walter Peris

Premessa
Nel precedente articolo, che trattava del pH e del potere solvatante dell'acqua, avevamo accennato al fatto che l'acqua è un solvente e come tale ha la capacità di dissociare i sali in ioni. Avevamo allora accennato al cloruro di sodio ma il noto sale da cucina non è il solo e, soprattutto, non è importante in acquariofilia di acqua dolce. I sali forse più importanti sono i derivati dell'acido carbonico, i carbonati ed i bicarbonati. Questi sali hanno una importanza speciale in acquariofilia: in soluzione acquosa formano le cosiddette soluzioni tampone.

Le soluzioni tampone
Le soluzioni tampone sono costituite da soluzioni acquose di un acido debole (o una base debole) ed un suo sale. Si deve tenere presente che la definizione di acido o base debole è riferita alla teoria di Brönsted secondo la quale in soluzione acquosa sono sempre presenti degli equilibri tra specie chimiche in cui sono sempre riconoscibili una specie acida, con la sua base coniugata, ed una specie basica, con il suo acido coniugato. Un esempio può essere l'equilibrio seguente:

HCO₃^- + H₃O⁺ = H₂CO₃ + H₂O

Da questa equazione è possibile notare che un'eventuale aggiunta di una piccola quantità di acido (rappresentato dallo ione H₃O⁺) ad una soluzione di HCO₃^- viene tranquillamente assorbita e trasformata in acqua ed acido carbonico, che a sua volta si dissocia in acqua e CO₂, lasciando inalterato il pH. Quindi, fino a quando in soluzione saranno presenti ioni HCO₃^-, ogni aggiunta di acido non influenzerà il pH. E' evidente che una volta che tutti gli ioni HCO₃^- avranno reagito, anche una minima aggiunta di acido produrrà un abbassamento del pH. Lo stesso discorso vale nel caso in cui ad essere aggiunta sarà una base, che a sua volta reagirà con l'acido H₂CO₃ formando HCO₃^- e acqua e, anche in questo caso, lasciando invariato il pH.

Un altro caso piuttosto importante è relativo all'ammoniaca che può dare soluzioni tampone secondo il seguente equilibrio

NH₃ + H₂O = NH₄⁺ + OH^-

avente la seguente costante di equilibrio

K_b = [NH₄⁺] · [OH^-] / [NH₃]

da cui si ricava

[OH^-] = K_b · [NH₃] / [NH₄⁺]

Da questa equazione si nota subito che la concentrazione di ioni OH^-, e quindi indirettamente il pH, dipende solo dal rapporto tra la concentrazione dell'ammoniaca e del suo acido coniugato, lo ione ammonio. Quindi un eccesso di base verrà immagazzinato sotto forma di ammoniaca (NH₃) mentre un eccesso di acido sarà assorbito dalla formazione di ione ammonio (NH₄⁺). Ogni aggiunta sarà perciò neutralizzata ed il pH resterà invariato.

Il terzo tipo di sistema tampone che trattiamo, e che ci limitiamo solo ad accennare in quanto ormai il meccanismo dovrebbe essere chiarito, è quello relativo allo ione fosfato, un altro ione presente nell'acqua degli acquari (anche se si spera sempre di averne il meno possibile)

H₂PO₄^- + H₂O = HPO₄⁼ + H₃O⁺

Riassumendo, possiamo dire che il potere tampone di una soluzione acquosa di un sale di un acido o di una base debole è tanto può forte quanto più alta sarà la concentrazione del sale. Ecco perché maggiore è il KH maggiore sarà il potere tamponante della soluzione acquosa ottenuta.

Il KH
Ed ecco che abbiamo finalmente introdotto il concetto più atteso, conosciuto e, forse, anche misconosciuto dell'acquariofilia di acqua dolce: la durezza carbonatica o KH.

La durezza carbonatica, o "alkalinity" in inglese, o durezza temporanea è stata fino ad oggi misurata, per lo meno in Italia, usando la scala di gradi tedeschi, °dKH, che considerava 1°dKH una quantità pari a 17.8 mg/L (o ppm) di CaCO₃ in soluzione, mentre in nord America la durezza carbonatica viene misurata in ppm di CaCO₃ in acqua. La tendenza ufficiale oggi vorrebbe unificare queste scale usando la definizione data dalle norme DIN 38 402, parte 1¹, definendo la durezza carbonatica come "capacità tamponante dell'acidità a pH 4.3" e dove

2.8°dKH = 1 mmol/L

Molto probabilmente passeranno diversi anni prima che gli acquariofili decidano di modificare le loro ben radicate abitudini, abbandonando il concetto di KH come durezza carbonatica; per questo motivo anche noi continueremo ad utilizzare questa vecchia definizione.

Come dicevamo, maggiore è la quantità di sali in soluzione, maggiore è il loro potere tamponante; ovviamente nel caso dell'acqua degli acquari, non è possibile aggiungere quantità esagerate di sali, come è anche vero che non capiterà mai di aggiungere grandi quantità di acidi o basi forti. Quindi le modeste quantità in gioco di bicarbonati servono più che adeguatamente allo scopo; in linea generale un KH superiore a 4 assicura già un sufficiente potere tamponante; resta inteso che valori superiori (diciamo intorno a 6-7) danno una maggior garanzia. Un valore più basso di 4 rende l'acqua dell'acquario instabile e soggetta a pericolose variazioni di pH. E' forse il caso di far notare che per i cambi d'acqua, mescolare quantità uguali di acqua di rubinetto (ad esempio avente pH 7.5) con acqua ottenuta per osmosi inversa (ad esempio a pH 6.5), produrrà una miscela che avrà un valore medio per quanto riguarda GH e KH, ma che NON avrà un valore medio di pH (cioè NON avrà pH 7.0, tanto per intenderci); la nostra acqua finale avrà ancora un pH di 7.5 perché il potere tamponante degli ioni bicarbonato presenti nell'acqua di rubinetto annullerà del tutto l'acidità dell'acqua osmotica.

Ricordiamo qui brevemente che la principale fonte di acidità nell'acquario è il ciclo dell'azoto, alla cui fine si produce acido nitrico. Il potere tamponante del bicarbonato è tale per cui l'acidità viene rapidamente assorbita ed il prodotto finale resta solo lo ione nitrato, che potrà essere eliminato o attraverso i cambi di acqua, o grazie all'assorbimento da parte delle piante o, molto più raramente, dalla ulteriore riduzione ad azoto gassoso da parte dei batteri anaerobi.

La sorgente di basi, invece, è da ricercarsi nel metabolismo delle piante, ed in particolare nella fotosintesi clorofilliana; ma di questo, come del ciclo dell'azoto, parleremo più diffusamente in un prossimo articolo.

Il KH può essere aumentato in modo artificiale aggiungendo sali che contengano lo ione bicarbonato, come ad esempio il ben noto bicarbonato di sodio (baking soda in inglese); una quantità di bicarbonato di sodio pari a circa 6 g (un cucchiaio da tè) in 50 L di acqua, alza il KH di circa 4 unità. Anche il carbonato di calcio può essere utilizzato per aumentare il KH; 4 g circa (pari ad un cucchiaino da tè) di calcio carbonato in 50 L di acqua alzano il KH di circa 4 gradi; l'aggiunta di questo sale, ovviamente, comporta anche l'aumento del GH, la grandezza che misura la quantità di ioni Ca²⁺ e Mg²⁺ in soluzione, mentre entrambi i sali provocano, contemporaneamente, un incremento del pH verso valori nettamente alcalini. Ricordiamo brevemente che un aumento di 10 volte del KH incrementa il pH di circa 1 unità, a concentrazione costante di CO₂; inoltre il pH aumenta di 0.3 unità se si raddoppia la KH (lg 2 = 0.301), mentre a KH costante il pH diminuisce di 0.3 unità se si raddoppia la quantità di CO₂.

Il GH
Nel paragrafo precedente abbiamo in più occasioni parlato di GH. La sua definizione è la stessa data per il KH: 1°dGH corrisponde a 17.8 mg/L di CaCO₃ (oppure a 10.0 mg/L di CaO). Anche per il GH esiste un progetto per unificare le varie scale di misura; secondo le norme DIN a cui abbiamo già accennato, il GH dovrebbe essere definito semplicemente come "durezza" e dove

5.6°dGH = 1 mmol/L

Essendo il GH definito durezza totale, verrebbe da pensare che tra GH e KH sia il primo ad essere sempre prevalente come valore; in realtà questo non è sempre vero. Infatti in alcune acque, come ad esempio quelle dei laghi della Rift Valley in Africa, il KH ha valori superiori, e di molto, al GH; questo è dovuto al fatto che la principale fonte di carbonati, in quei laghi, è il bicarbonato di sodio e non i sali di calcio e magnesio.

A seconda dei valori assunti dal GH, le acque possono essere così definite:

Un particolare non molto noto è che uno scorretto valore di GH può provocare delle disfunzioni funzionali nei pesci e nelle piante; la concentrazione di Ca²⁺ e Mg²⁺, infatti, influenza il trasferimento dei nutrienti e dei prodotti di rifiuto attraverso le membrane cellulari e può anche influire sulla fertilità dei pesci, su i reni e sulla crescita. Per questo motivo molti pesci e piante sono in grado di adattarsi alle variazioni di GH, anche se il più delicato processo riproduttivo potrebbe comunque risultare compromesso.

La decalcificazione biogenica
Normalmente in un acquario abbiamo il seguente equilibrio

Ca(HCO₃)₂ = CaCO₃ + H₂CO₃

Analogamente a quanto abbiamo già detto nel precedente articolo, questa reazione è reversibile; ciò significa che aggiungendo una specie di quelle descritte sia a destra del segno "uguale", che a sinistra, il sistema reagirà spostando l'equilibrio dalla parte opposta. Dato che l'acido carbonico è da considerare come instabile, esso si decomporrà formando acqua ed anidride carbonica; se nell'acquario è presente una fonte di carbonato di calcio, ad esempio sotto forma di arredi calcarei, come rocce o altro, o più semplicemente è presente un ghiaietto calcareo, aggiungendo anidride carbonica si porterà in soluzione il calcare contenuto in questi materiali, formando Ca(HCO₃)₂, incrementando il KH. Viceversa se la quantità di anidride carbonica diminuisce, ad esempio per opera delle piante, il Ca(HCO₃)₂ si scinde per formare calcio carbonato, che precipita, ed acido carbonico.

A pH superiori a 7.5, la maggior parte dell'anidride carbonica viene intrappolata sotto forma di bicarbonato di calcio e molte piante tropicali, abituate ad un ambiente con pH inferiore (a volte molto acido), non sono in grado di ricavare anidride carbonica da questa specie chimica e quindi smettono di crescere. Altre piante, provenienti da regioni temperate, come ad esempio l'egeria, il ceratophyllum ed altre, sono in grado di scindere la molecola del bicarbonato di calcio, ricavando da essa l'anidride carbonica necessaria alla loro crescita. In tal caso il consumo di bicarbonato di calcio provoca la precipitazione di calcio carbonato (a volte osservabile come patina biancastra sulle foglie), incrementando il pH. La velocità di questa reazione dipende dall'intensità dell'illuminazione.

KH, pH e CO₂: il triangolo delle Bermuda
Le tre grandezze KH, pH e CO₂ sono state molto appropriatamente definite dagli appassionati americani "il triangolo delle Bermuda" dell'acquariofilia.

Infatti tutti e tre i valori sono tra loro strettamente correlati e rappresentano, purtroppo, per molti appassionati, un settore per alcuni versi incomprensibile. Questo è principalmente dovuto al fatto che le leggi che regolano i delicati equilibri chimici in soluzione sono estremamente complesse e tutt'altro che di immediata comprensione.

In linea generale possiamo dire che non è possibile modificare uno dei tre valori senza che anche gli altri due ne siano direttamente influenzati; esistono infatti delle tabelle che mettono in correlazione i tre valori e che aiutano ad orientarsi in questo campo minato. Qui di seguito riportiamo a titolo di esempio una di queste tabelle, ricordando che questi valori sono precisi ed attendibili solo se l'unica fonte di KH misurato è effettivamente la durezza carbonatica e non qualche altra base, come ad esempio lo ione fosfato, titolata con la soluzione del Test KH usato. I valori espressi dalla tabella sono le concentrazioni di CO₂ in mg/L (ppm) in funzione di pH e KH.

Tra le tre grandezze esiste una relazione matematica che illustriamo con la seguente equazione

pH = 7.5 + lg₁₀ (KH) - lg₁₀ (ppm CO₂)

dove il valore di 7.5 dipende leggermente dalla temperatura (può variare, a seconda delle fonti, da 7.46 a 7.48 fino a 7.58)

Da questa equazione ne deriva una seconda, usata per costruire la tabella sopra riportata

(ppm CO₂) = KH · 3 · 10^(7-pH)

Questo dovrebbe spiegare abbastanza chiaramente perché molto spesso ci ritroviamo a combattere con valori di pH o KH che non ne vogliono sapere di cambiare, nonostante tutti i nostri sforzi. Senza il terzo "incomodo", la CO₂, non è possibile modificare nulla in modo durevole.

Conclusione
Con questo speriamo di aver risolto alcuni dubbi riguardo ai sistemi tampone ed agli equilibri in soluzione. Data l'importanza dell'anidride carbonica nel delicato sistema acquario, ci è sembrato utile far sapere a tutti che esiste la possibilità di costruirsi un impianto di distribuzione di CO₂ economico; nel prossimo articolo descriveremo brevemente come farsi un sistema per la produzione di CO₂ in casa, senza alleggerire troppo il portafogli.

Bibliografia consigliata: Kassebeer, G., Aquarium Oggi 1994, giugno-luglio-agosto.

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