CentroNatura.net: Aquariologia e Ornitologia

è inevitabile, quando si parla di pesci, piante o qualsiasi cosa abbia a che fare con un acquario ci si imbatte sempre in questo fondamentale parametro. vediamo in cosa consiste, come varia e quali sono le sue implicazioni in ambito biologico.

pillole di chimica

L'acqua intesa come l'insieme di tutte le sostanze in essa disciolte (quindi non come H₂O pura e semplice) è composta in parte da ioni di idrogeno H⁺ (carichi positivamente) e ioni ossidrili OH^- (carichi negativamente). Il valore che misura la quantità di ioni idrogeno è il pH . Tecnicamente il pH è uguale al logaritmo in base dieci della concentrazione degli ioni H⁺ in soluzione cambiato di segno.

pH = -Log[H⁺]

Quindi matematicamente parlando il pH è un logaritmo di una certa grandezza. Il logaritmo di un numero (nel nostro caso la concentrazione degli ioni H⁺) è anch'esso un numero. Ma perchè complicarsi la vita con l'operazione di logaritmo? A dirla tutta ciò che sembrerebbe un inutile complicazione matematica ci rende la vita molto più facile, anche a noi acquariofili.
Partiamo dal presupposto che le scale logaritmiche si usano per semplificare i calcoli. Nel senso che è più facile lavorare con piccoli numeri con cui abbiamo a che fare tutti i giorni anzichè con grandi cifre. Infatti il concetto di pH è nato per poter esprimere e confrontare facilmente le concentrazioni di ioni H⁺ in una soluzione. Ora, tali concentrazioni si potrebbero benissimo esprimere dicendo che nella tale soluzione sono presenti 0,00001 mol/L di ioni H⁺, oppure usando l'esponenziale 10^-5 mol/L, ma perchè complicarsi la vita con lunghi numeri quando usando il concetto di logaritmo basta dire che la suddetta soluzione ha pH 5? molto sintetico e soprattutto pratico, no??
La scala del pH varia da 0 a 14(a dire il vero questo intervallo è una convenzione, visto che esso vale solo alla temperatura di 25°C, tuttavia per applicazioni che non richiedono una precisione elevata, come nell'ambito acquaristico, si considera sempre costante). In soluzioni acquose è veramente difficile trovare soluzioni che abbiano un pH minore di zero o maggiore a 14, in natura praticamente impossibile. tuttavia il pH di una soluzione non acquosa può superare anche di molto la scala prima citata.

La distinzione del pH avviene attraverso tre fasce:

pH minore di 7 = soluzione acida,
pH maggiore di 7 = soluzione basica o alcalina
pH uguale a 7 = soluzione neutra.

Essendo una scala logaritmica si nota subito che tra una soluzione a pH 6 e una a pH 7 la quantità in moli/L di ioni H⁺ varia enormemente. Per fare un esempio pratico è come se al nostro conto in banca aggiungessimo uno zero. detto in parole semplici è come se invece di avere 5000$ ne avessimo 50000. non male è? la stessa cosa possiamo immaginare per gli ioni H⁺ nelle due soluzioni. per quanto banale possa sembrare uno zero in più o in meno questo fa la differenza tra la vita e la morte. basti pensare che il nostro sangue deve stare in un pH compreso tra 7.35 e 7.45. tolleriamo sbalzi di soli 0.1 pH! oltre i quali sorgono problemi... questo esempio che ci tocca molto da vicino mi pare sufficiente per sottolineare l'importanza di questi importanti quanto a prima vista inutili ioni H⁺.

Risulta quindi evidente che variazioni di pH, anche dell'ordine di 0,5, influiscono pesantemente sulla attività biologica degli organismi in vasca. Fermo restando che questa è una considerazione relativa. Infatti specie come l'Hygrophila corymbosa, evolutasi in ambienti dove durante l'anno si hanno forti escursioni di pH anche dell'ordine di 2-3 unità riescono a tollerare tali sbalzi. Considerazioni che non possono essere assolutamente fatte per altre specie, come per le caridine che necessitano di un ambiente molto equilibrato. La vita risulta nella maggior parte dei casi incompatibile ad un esposizione prolungata in ambienti con un pH inferiore ai 5,5.
Ma cosa fa variare il pH nell'acquario? Beh molti, moltissimi fattori. L'arredamento ad esempio, in particolare le rocce o i legni, ma anche la terra usata come substrato o alcuni materiali usati per ricoprire il fondo, l'immissione di CO₂, il cibo usato per i pesci, i pesci stessi, le piante, i fertilizzanti...

Per mostrare come il pH vari prendiamo a titolo di esempio forse la principale e più comune causa di questa variazione in acquario: l'immissione di CO2.
La CO2 in acqua va incontro alla seguente reazione:

CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃ ↔ H⁺ + HCO₃^-

L'anidride carbonica in acqua da origine ad acido carbonico.

Questo è un acido debole per cui si viene a formare un equilibrio tra l'acido carbonico e la sua forma dissociata in ione idrogeno H⁺ e ione bicarbonato HCO₃^-. Quindi l'introduzione di anidride carbonica porta a liberare in soluzione uno ione idrogeno e di conseguenza si ottiene una variazione di pH (ovviamente il pH non varia con l'aggiunta di un singolo ione...).

pillole di chimica

Nella precedente reazione abbiamo accennato all'acido carbonico riferendoci ad esso come un acido debole. Per spiegare cosa significa acido debole userò per correttezza il termine elettrolita: con elettrolita si intende qualsiasi soluto che scogliendosi in acqua forma una soluzione contenente ioni, indipendentemente dal fatto che questo soluto sia un acido o una base.

per valutare la forza di un acido si utilizzano delle costanti chimiche specifiche della sostanza (determinare tali costanti esula di parecchio dal nostro obbiettivo, per tanto per chi vuole approfondire si rimanda alle innumerevoli risorse che la rete offre sull'argomento). tali costanti si chiamano costanti di dissociazione e indicano il grado di dissociazione di una sostanza all'equilibrio (concetto che sarà chiaro tra poche righe), vengono di norma indicate con K_a.
per l'acido carbonico tale costante è pari a 4,4x10^-7. un valore piuttosto basso. più basso è il valore della costante di dissociazione più l'acido tenderà a non dissociarsi. questo vuol dire che nella reazione:

H₂CO₃ ↔ H⁺ + HCO₃^-

prevarrà la forma non dissociata dell'acido carbonico rispetto a quella dissociata di ione bicarbonato. di fatto non tutto l'acido carbonico diverrà ione bicarbonato, anzi gran parte dell'acido carbonico rimarrà tale.

Prendiamo ora ad esempio il cloruro di sodio NaCl ovvero il comune sale da cucina. In acqua esso reagisce secondo la formula:

NaCl + H₂O → Na⁺ + Cl^-

Il cloruro di sodio è un elettrolita forte. Questo significa che esso si è dissociato praticamente al 100%, per cui in soluzione non sono più presenti molecole di NaCl ma solo ioni Na⁺ e Cl^-. Ciò che evidenzia tale proprietà è la freccia a senso unico (→) nella reazione.

la differenza tra le due reazioni è che mentre il cloruro di sodio si dissocia completamente, un elettrolita debole (acido carbonico) si dissocia in parte. all'equilibrio l'esatta quantità di acido carbonico che si dissocia viene rimpiazzata da ioni bicarbonato che collidendo originano nuovamente acido carbonico. è ciò che in chimica viene chiamato equilibrio dinamico, una situazione dove a prima vista le cose sembrano statiche ma che in realtà sono in continuo mutamento. tale situazione è indicata dalla doppia freccia ↔.

Leggendo la formula che porta alla dissociazione dell'anidiride carbonica in acqua verrebbe da pensare che esista anche in questo caso una costante di dissociazione che indichi quanta CO₂ dia origine ad acido carbonico. Ebbene in questo caso le cose si fanno leggermente più complicate. Infatti stiamo considerando un gas (la CO₂) che si solubilizza in un liquido (l'acqua del nostro acquario) con cui nello stesso tempo reagisce (originando acido carbonico). la solubilità della CO₂ in acqua vicina alla neutralità, alla temperatura di 20°C e alla pressione di 1atm (condizioni a cui bene o male si trovano i nostri acquari, 1 atm è la pressione che l'atmosfera esercita se ci mettiamo al livello del mare) è di 1.45 g/L. inoltre di questa piccola frazione di CO₂ una minima parte forma acido carbonico. per correttezza infatti è opportuno indicare che una costante che quantifica il grado di dissociazione dell'acido carbonico in acqua esiste, tale costante è detta costante di idratazione ed è pari a 1.7 * 10^-3. un numero piuttosto alto che indica come la maggior parte della CO₂ rimanga tale invece di originare acido carbonico. pertanto è solo una piccola frazione della CO₂ immessa in acqua a dissociarsi in acido carbonico, la restante rimane disciolta come anidride carbonica pronta ad essere assorbita dalle piante (o come spesso accade, ad essere espulsa in atmosfera).

in realtà questo è un modello un pò troppo ridotto in quanto altri fattori influenzano la quantità di CO₂ presente in acqua, in primisi pH e KH (tale costante è ottenuta considerando acqua pura a KH=0, se notate in tabella nella pagina ph, alcalinità, CO₂ in corrispondenza di pH 7 e KH=0.5 la CO₂ è di 1.5mg/L. eppure anche se cosi poca CO₂ reagisce con l'acqua essa riesce a provocare sbalzi significativi di pH se non si prendono delle opportune contromisure.

Un altro fattore che influenza il pH sono le cosidette sostanze umiche. Tali sostanze derivano dalla decomposizione di materia organica, soprattutto di origine vegetale. Tra le sostanze umiche quelle di maggior importanza sono gli acidi umici. Composti complessi formati da macromolecole come ad esempio amminoacidi o carboidrati. Sorvolando sulla struttura chimica di tali composti, ci concentriamo invece sulla loro natura. Questi composti sono molto reattivi e tendono a cedere ioni e acquistarne dall'acqua dell'acquario. Non a caso in alcuni tipi di filtrazione si utilizza la torba. Questa infatti essendo ricca di acidi umici tende a sottrarre ioni in eccesso dall'acqua, in particolare ioni calcio, portando cosi ad un noto abbassamento della durezza totale. Comunque gli acidi umici sono anche responsabili di un abbassamento del pH per via della cessione di ioni H⁺ scambiati per far posto agli ioni assorbiti. Per questo motivo sono usati per tenere sotto controllo il pH a valori leggermente acidi in acquari dove non si usa CO₂. La presenza di queste sostanze si nota dal colore che assume l'acqua, non più lipido e cristallino ma opaco e leggermete scuro. Sono sostanze tipiche delle acque cosidette "nere", come quelle del Rio Negro. Il colore dell'acqua è dovuto appunto all'enorme concetrazione di queste sostanze dovute alle frequenti alluvioni che arricchiscono i corsi d'acqua di sostanze organiche. Nello stesso tempo il pH è nettamente acido. In acquario queste sostanze sono introdotte attraverso cortecce, legni, torba sia che venga utlizzata come substrato sia come agente filtrante.

La presenza di un fondo può essere una causa di instabilità del pH. Eccezion fatta per i fondi cosidetti inerti (classico esempio il puro ghiaietto al quarzo), qualsiasi terra o ghiaietto che ha una certa reattività contribuirà a variazioni di pH, in genere verso valori acidi.
Anche altri fattori di natura biologia sono responsabili della variazione di pH.

Processi che causano un acidificazione dell'ambiente sono:
- la respirazione dei pesci
- processo di nitrificazione dei batteri (in particolare quelli situati nel filtro)
- metabolismo batterico
Processi che al contrario causano un viraggio del pH verso valori basici sono:
- fotosintesti operata sia da alghe che da piante
- processi di denitrificazione batterica

Bisogna comunqe tenere in considerazione non solo quali fenomeni fanno variare il pH ma è altrettanto fondamentale come il pH influenzi gli altri fenomeni. Come vedremo in seguito il pH è collegato con la stragrande maggioranza delle reazioni chimiche in acquario (vedi per esempio la concentrazione di NH₃).

Se forse fino ad ora vi siete un po annoiati con tutta questa teoria veniamo a qualcosa di più tecnico e manuale: la misurazione del pH.
Esistono diversi modi per la misurazione del pH. Le famose cartine tornasole, strisce di carta imbevute in un reagente che cambiano colorazione quando vengono inserite in una soluzione. Personalmente le sconsiglio caldamente, sono molto imprecise e creano diversa confusione in fase di misurazione. una valida alternativa è rappresentata dai reagenti liquidi. Anche'essi misurano il pH attraverso una scala cromatica. Si aggiunge il reagente goccia dopo goccia fino a quando la soluzione non cambia colore indicando il pH della soluzione. sicuramente quest'ultima alternativa è decisamente più consigliata delle cartine. tuttavia il problema di queste tecniche di misura resta legato all'utilizzo di una scala cromatica. infatti siamo noi a confrontare il colore della soluzione con quella della scala. inoltre non sempre il colore assunto dalla soluzione è uguale a quello riportato sulla scala cromatica. risultano quindi frequenti errori nella misurazione sempre poco accurata. Per questo consiglio l'utilizzo di uno strumento elettronico: il phmetro.

phmetro con soluzione a ph noto

Tre sono i motivi che dovrebbero condurvi su questa scelta. il costo contenuto di qualche decina di euro. decisamente inferiore al prezzo di tutti i test che andremo ad acquistare, visto che il pH, data la sua importanza, è utile misurarlo frequentemente. la precisione della misurazione. infatti un phmetro arriva ad avere una precisione nell'ordine dei decimali. la semplicità di utiilzzo. basta inserire lo strumento in acqua, aspettare qualche secondo e il gioco è fatto. bello no?

Il phmetro deve essere calibrato. per tararlo si utilizza una soluzione tampone (buffer solution) a ph noto. bisogna calibrare lo strumento per evitare errori rilevanti nella misurazione, vale a dire che più ci si allontana dal valore sul quale abbiamo calibrato il phmetro più la misura sarà poco attendibile. sul mercato troverete diverse soluzioni a pH noto: 1.68, 4.01, 6.86, 7.01, 9.18, 10.01, 12.45. ora vi starete chiedendo: ma se prima mi ha detto che è uno strumento economico perchè ora viene quà a dirmi che devo prendere 7 soluzioni tampone? certamente no. esistono diversi tipi di phmetri, più precisi e meno precisi. quelli ad uso professionale vengono tarati in diversi punti, addirittura 5, ovvero hanno un minore margine d'errore su tutta la scala del pH, anzi possiamo dire che hanno un errore quasi nullo su tutta la scala. per noi comuni acquariofili basta uno strumento con un singolo punto di taratura. potete scegliere la buffer solution a pH 6.86 o 7.01, in entrambi i casi avrete una misura corretta tra pH 6 e pH 8. infatti molto raramente troveremo in vasca un pH fuori questo intervallo. la calibrazione è diversa per ogni strumento, quindi leggete le istruzioni. inoltre ogni volta che utilizzate la soluzione tampone dovete buttarla e mai, ripeto mai, reinserirla nel flacone. ciò comporterebbe l'inquinamento della soluzione che andrebbe in questo modo buttata.
ultima informazione: il phmetro è costituito da un ampolla di vetro che è sempre meglio tenere umida per evitare il danneggiamento della sonda, quindi prima di metterlo via assicuratevi che la sonda sia a contatto con un pò d'acqua, magari nel tappino o in una spugnetta apposita, e messo in una posizione tale da non far fuoriuscire l'acqua, per esempio in verticale.

il pH non è di certo l'unico valore importante in un acquario, esso è strettamente legato e dipende da un altro valore: l'alcalinità.