Co akwarysta powinien wiedzieć o wodzie…?

Aleksandra Kwaśniak-Płacheta

Woda jako doskonały rozpuszczalnik

Niewiele jest takich substancji, które zupełnie się w wodzie nie rozpuszczają. Stwierdzono, że nawet kwarc i metale szlachetne, uważane przez długi czas za nierozpuszczalne w wodzie, rozpuszczają się. Chociaż ich stopień rozpuszczania jest niewielki. Z tego wynika jak ważna jest wiedza o podstawowych właściwościach elementów dekoracyjnych, które mamy zamiar umieścić w akwarium, a które w istotny sposób mogą wpływać na parametry chemiczne wody.

Materiały do dekoracji akwarium możemy podzielić na trzy grupy:

Neutralne – to takie, które rozpuszczają się w wodzie w tak małym stopniu, iż możemy przyjąć, że nie wpływają na parametry chemiczne wody np. granit, bazalt, kwarc, skrzemieniałe drewno (powstałe na skutek zastąpienia substancji organicznej drewna przez kwarc przy jednoczesnym zachowaniu struktury i kształtu drewna) itp.

Alkalizujące i wzbogacające wodę w sole mineralne – do tej grupy zaliczamy skały, które łatwo rozpuszczają się pod wpływem działania wody i obecnych w wodzie kwasów (węglowego i kwasów organicznych), są to wapienie, dolomity, margle itp. Stosowanie tych skał uzasadnione jest tylko w przypadku hodowli ryb wymagających wody średnio twardej lub twardej o odczynie zasadowym (wyższym od pH 7).

Zakwaszające i wzbogacające wodę w kwasy humusowe oraz garbniki – do tej grupy zaliczamy torf, lignity, szyszki olchy, liście różnych gatunków drzew itp.

Garbniki roślinne są substancjami o skomplikowanej i często nie do końca poznanej budowie chemicznej. Mają właściwości bakteriobójcze, dzięki swojej zdolności do łączenia się z substancjami białkowymi i tworzeniu z nimi nierozpuszczalnych związków. Występują w korze, liściach, owocach lub korzeniach np. dębu, wierzby, brzozy, kasztanowca, świerku i modrzewia, a także w wielu roślinach zielnych wykorzystywanych w medycynie do pozyskiwania tych substancji.
Związki humusowe stanowią grupę wielkocząsteczkowych złożonych substancji, których skład chemiczny i budowa nie została dokładnie poznana. Powstają w procesie humifikacji pod wpływem działania mikroorganizmów i różnych czynników środowiskowych na szczątki roślinne i zwierzęce. W ich skład wchodzą trzy grupy kwasów (kwasy huminowe i fulwowe oraz huminy). Duża koncentracja związków humusowych występuje w torfach, węglu brunatnym, lignicie (odmiana węgla brunatnego o brunatnej lub czarnej barwie, z widoczną strukturą drewna), korze, drewnie i korzeniach. Związki humusowe nadają wodzie brunatną barwę, a ze względu na swój kwasowy charakter obniżają również jej odczyn. Wpływają korzystnie na procesy fizjologiczne roślin, gdyż zawierają witaminy, hormony wzrostowe roślin (tzw. auksyny) oraz substancje o charakterze antybiotyków. Jednak przy wysokich stężeniach mogą wpływać hamująco na wzrost i rozwój roślin. Niestety określenie stężenia tych substancji, nawet metodami pośrednimi w warunkach domowych jest niemożliwe. W tym wypadku liczy się praktyka, aby nie przesadzić z ich stężeniem w wodzie. Związki humusowe mają zdolność do tworzenia kompleksów z jonami metali między innymi z żelazem Fe3+. Obecność związków humusowych przeciwdziała wytrącaniu się żelaza (w obecności tlenu żelazo tworzy związki nierozpuszczalne w wodzie, w tej postaci żelazo jest niedostępne dla roślin), a mała trwałość kompleksów związków humusowych i żelaza decyduje o dostępności tego pierwiastka dla roślin.

Jeszcze kilka słów na temat piaskowców powszechnie wykorzystywanych do dekoracji akwariów, a które jak się za moment okaże można zaliczyć do grupy materiałów neutralnych jak i alkalizujących. Jest to związane z faktem, że o właściwościach piaskowców decyduje tzw. spoiwo (lepiszcze), które łączy ziarenka kwarcu ale mogą to być też inne minerały np. skalenie, łyszczyki.

W zależności od składu chemicznego wyróżnia się następujące rodzaje lepiszcza:
• wapniste – złożone z kalcytu (CaCO3 – węglan wapnia), o jasnej barwie, burzące z 10% kwasem solnym na zimno,
• margliste – złożone z kalcytu i minerałów ilastych, o jasnej lub szarej barwie, burzące z kwasem solnym i pozostawiające osad po wyburzeniu,
• dolomityczne – złożone z dolomitu (CaMg(CO3)2), o jasnej barwie, burzące z kwasem solnym na gorąco lub po sproszkowaniu,
• żelaziste – złożone z tlenków i wodorotlenków żelaza, o charakterystycznym czerwonym lub brunatnym zabarwieniu,
• krzemionkowe – złożone z chalcedonu lub opalu, o jasnej barwie, dużej zwięzłości, często również o szklisty
• ilaste – złożone z minerałów ilastych, o małej zwięzłości,
• glaukonitowe – złożone z glaukonitu, o charakterystycznej zielonej barwie.

Piaskowce o lepiszczu wapnistym, marglistym i w mniejszym stopniu dolomitycznym mogą rozpuszczać się w wodzie podnosząc jej twardość i zasadowość. Stąd w akwariach, w których nie chcemy zwiększyć tych parametrów wody lepiej unikać stosowania piaskowców o jasnych barwach albo w miarę możliwości sprawdzić przy użyciu kwasy solnego (HCl) czy nie mamy do czynienia z piaskowcami o takich lepiszczach.

Kolejnym zagadnieniem w ramach tego punktu jest rozpuszczalność gazów w wodzie. Dla akwarysty, a właściwie jego zwierząt i roślin najważniejsze znaczenie ma O2 (tlen) i CO2 (dwutlenek węgla). Rozpuszczalność gazów w wodzie zależy przede wszystkim od takich czynników jak jak temperatura i ciśnienie.

Wzrost temperatury powoduje spadek rozpuszczalności gazów w wodzie (Tab.1, Tab.2). Większość naszych zbiorników to akwaria tropikalne, gdzie temperatura waha się od 24 do 28°C, co w istotny sposób wpływa na zawartość tlenu i dwutlenku węgla w wodzi. W poniższej tabelce (Tab.1) podaję jak zmienia się stężenie tlenu wraz ze wzrostem temperatury w wodzie destylowanej w warunkach normalnego ciśnienia (1013,25 hPa). Podane stężenia tlenu powodują w danej temperaturze nasycenie wody tlenem (a więc w temperaturze 25°C przy normalnym ciśnieniu, 8,38 mg O2/dm3 nasyca wodę w 100 % ).

Tab.1 Ilość tlenu jaka może rozpuścić się w wodzi destylowanej w warunkach normalnego ciśnienia (1013,25 hPa) w różnych temperaturach

0°C 25°C 29°C
14,26 O2 mg/dm3 8,38 O 2 mg/dm3 7,77 O2 mg/dm3

Tab.2 Spadek stężenia dwutlenku węgla w wodzie wraz ze wzrostem temperatury

0°C 20°C 30°C
1,00 CO2 mg/dm3 0,51 CO 2 mg/dm3 0,38 CO2 mg/dm3

O stężeniu tlenu w wodzie decydują dwie przeciwstawne grupy procesów.

1. Procesy wzbogacające wodę w tlen:
– fotosynteza (koniecznie należy pamiętać że rośliny produkują tlen tylko w dzień)
– rozpuszczanie w wodzie tlenu atmosferycznego (proces ten jest intensyfikowany przez mieszanie wody)

2. Procesy zużywające tlen:
– oddychanie organizmów żywych (w tym roślin)
– rozkład substancji organicznej

W pewnych sytuacjach możemy się spotkać z przesyceniem wody tlenem, a więc gdy rozpuściło się w niej więcej tlenu niż to jest możliwe w danej temperaturze i przy danym ciśnieniu. W zbiornikach naturalnych porośniętych roślinnością wodną zjawisko to zachodzi około południa kiedy to najintensywniej przebiega fotosynteza. Przesycona tlenem może być również woda wartko płynących strumieni albo np. woda odpływająca ze zbiorników zaporowych. W jednym i drugim przypadku ma miejsce bardzo silne mieszanie wody. W akwariach do przesycenia wody tlenem może dochodzić gdy jest ono bujnie porośnięte roślinnością i stworzone są korzystne warunki do prowadzenia fotosyntezy.

Spadek rozpuszczalności tlenu jest szczególnie niebezpieczny w akwariach zaniedbanych lub przerybionych. Wynika to z faktu, że wzrost temperatury oprócz obniżenia rozpuszczalności tlenu w wodzie powoduje również wzrost zapotrzebowania na ten gaz. Wyższa temperatura przyspiesza tempo przemiany materii w komórkach zwierząt i intensyfikuje rozkład materii organicznej (odchody, resztki pokarmu, fragmenty roślin, martwe organizmy) przez mikroorganizmy, co pociąga za sobą zużycie większych ilości tlenu. Równocześnie ze zwiększonym zużyciem tlenu zwierzęta i mikroorganizmy produkują więcej CO2. Jego stężenie w wodzie może wzrosnąć, mimo że jego rozpuszczalność z powietrza atmosferycznego jest mniejsza z powodu wyższej temperatury.

Rozpuszczalność gazów w wodzie zależy od ich stężenia w powietrzu atmosferycznym np. azotu w powietrzu jest 78% a tlenu 21%, dlatego w wodzie rozpuszcza się więcej azotu niż tlenu, mimo że azot ma dwukrotnie mniejszą rozpuszczalność niż tlen. Ze znacznym odchyleniem od tej zasady spotykamy się w przypadku gazów takich jak dwutlenek węgla (CO2), dwutlenek siarki (SO2) i amoniak (NH3). Gazy te reagują z wodą dlatego może się ich rozpuścić w wodzie więcej niż wynikałoby to z ich stężenia w powietrzu atmosferycznym (w miejsce cząsteczki, która przereagowała z wodą może rozpuścić się następna).

Wzrost rozpuszczalności gazów pod wpływem ciśnienia można zaobserwować w wodach podziemnych. Gdy kupimy wodę mineralną naturalnie gazowaną po jej otwarciu zauważymy jak pęcherzyki gazu ulatują do atmosfery. Woda mineralna wydobyta z dużych głębokości, gdzie działa wysokie ciśnienie, została nasycona gazami w ilości znacznie przekraczającej tą jaka mogłaby się w niej rozpuścić na powierzchni ziemi. Dlatego po otwarciu butelki obserwujemy jak gaz wydziela się do atmosfery, ten proces będzie zachodził aż stężenia w wodzie i powietrzu atmosferycznym osiągną stan równowagi.

Odczyn wody

Odczyn wody informuje nas o stężeniu jonów wodorowych w wodzie, a pośrednio również jonów wodorotlenowych. Dzięki chemikowi z Danii, niejakiemu Sorensenowi nie musimy dzisiaj używać do charakteryzowania kwasowości wody stężenia jonów wodorowych [H+], którego wartość jest bardzo mała (a przez to niezbyt wygodna w użyciu), co wynika z faktu, że stopień dysocjacji wody (rozkład wody na jon wodorowy i wodorotlenowy) jest niewielki. W chemicznie czystej wodzie w 24°C stężenia jonów [H+] i [OH] są sobie równe (gdyż woda chemicznie czysta ma odczyn obojętny) i wynoszą 1,0×10-7 mola/dm3. Z tego wynika, że iloczyn stężenia jonów wodorowych [H+] i wodorotlenowych [OH] (iloczyn jonowy wody) wynosi 1,0×10-14 mola/dm3.

1,0×10-7 mola/dm3 x 1,0×10-7 mola/dm3 = 1,0×10-14 mola/dm3

Aby uniknąć używania tak małych i niewygodnych wartości Sorensen wprowadził jednostkę zwaną pH, która jest wykładnikiem stężenia jonów wodorowych tzn., że dla 24°C moglibyśmy to zapisać w ten sposób:

[H+] = 10-pH

pH = -log [H+]

pH = -log (1,0×10-7)

pH = -7 x (-log (1,0×10)) = (-7) x (-1) = 7

takie samo rozumowanie przeprowadzamy dla jonów wodorotlenowych, otrzymujemy wynik: pOH = 7

pH + pOH = 14

Iloczyn jonowy wody zależy od temperatury, wraz z jej wzrostem wzrasta również jego wartość np. w temperaturze 30°C iloczyn jonowy wody wynosi 1,4690×10-14 mola/dm3. Gdyby przeprowadzić powyższe obliczenia dla takiej wartości okaże się, że odczyn wody maleje wraz ze wzrostem temperatury. Wynika z tego, że w temperaturach różnych od 24°C, odczyn wody obojętnej będzie różny od 7 pH. Dla celów akwarystycznych nie ma to jednak większego znaczenia, gdyż różnice te są niewielkie (Tab.3).

Tab.3 Woda chemicznie czysta o odczynie obojętny w różnych temperaturach

20°C 24°C 30°C
7,08 pH 7,00 6,92

Z powyższych rozważań wiemy że, suma pH i pOH jest równa 14, taki więc zakres będzie miała skala pH, przy czym wartość 7 pH informuje nas, że mamy do czynienia z wodą o odczynie obojętnym, w której stężenia jonów wodorowych i wodorotlenowych są sobie równe. Gdy pH przyjmuje wartości mniejsze od 7 oznacza to, że w wodzie wzrosło stężenie jonów wodorowych, a zmalało wodorotlenowych – woda ma odczyn kwaśny. Gdy pH przyjmuje wartości wyższe od 7, wiemy że nastąpił spadek stężenia jonów wodorowych a wzrósł udział jonów wodorotlenowych – woda ma odczyn zasadowy.

Obniżenie odczynu wody poniżej pH 7 może być wywołane obecnością związków humusowych i innych kwasów organicznych oraz wzrostem stężenia CO2 np. w wyniku wzmożonej aktywności drobnoustrojów (rozkład materii organicznej) lub celowego dozowania CO2 do akwarium.

Wzrost odczynu wody powyżej pH 7 może mieć miejsce gdy w akwarium stosujemy jako dekoracje wapienie, muszle czy żwirek koralowy, które są źródłem jonów wodorotlenowych, albo w wyniku intensywnej fotosyntezy roślin.

Ze względu na to że pH jest logarytmem, każda zmiana pH o jedną jednostkę powoduje 10-krotny wzrost lub spadek stężenia jonów wodorowych, a więc gdy odczyn wzrośnie z 7 do 8 pH, to w rzeczywistości stężenie jonów wodorowych spadło 10-krotnie, a wodorotlenowych wzrosło 10-krotnie, gdy odczyn wzrośnie o 2 punkty (z 7 do 9 pH) to stężenie jonów wodorowych spadło 100-krotnie. Dlatego tak ważne jest unikanie gwałtownych zmian odczynu wody, gdyż dla ryb może to być prawdziwe trzęsienie ziemi.

Przewodność elektrolityczna wody

Jest to wielkość, która mówi o łącznej zawartości jonów w wodzie (kationów – jony dodatnie i anionów – jony ujemne). Jednostką przewodności elektrolitycznej jest S/cm (mikrosimens na centymetr). Świeżo destylowana woda ma bardzo małą przewodność (ok. 0,5-2 S/cm), gdyż pozbawiona jest jonów innych oprócz tych, które powstają w procesie dysocjacji wody (H+ i OH). Po kilku tygodniach przechowywania wody destylowanej jej przewodność wzrośnie na skutek rozpuszczenia się w niej CO2 i NH3 z powietrza atmosferycznego.

CO2 + H2O = H+ + HCO3

NH3 + H2O = NH4+ + OH

Posiadając konduktometr (urządzenie do pomiaru przewodności) można po krótkich obserwacjach tylko na podstawie tego pomiaru opracować sobie najlepszy termin do podmian wody. Wzrost stężenia w wodzie jonów azotanowych, fosforanowych i innych będzie powodował wzrost przewodności elektrolitycznej wody.

Twardość wody

Twardość ogólna wody jest to stężenie jonów dwuwartościowych (Ca2+, Mg2+, Mn2+, Ba2+, Fe2+ i innych). Należy pamiętać, że w wodach słodkich dominują jony wapnia i magnezu dlatego właśnie te jony są przede wszystkim odpowiedzialne za tworzenie twardości ogólnej wody. Kationy te nie występują w roztworze samodzielnie towarzyszą im aniony i właśnie ze względu na te aniony wyróżniamy dwa rodzaje twardości: węglanową i niewęglanową (Tab.4).

Tab.4 Rodzaje twardości wody

Twardość ogólna
Twardość węglanowa Twardość niewęglanowa
Kationy Aniony Kationy Aniony
Ca2+ HCO3
OH
CO32-
Ca2+ SO42-
Cl
NO3-
Mg2+ HCO3
OH
CO32-
Mg2+ SO42-
Cl
NO3-

Za twardość węglanową są odpowiedzialne jony wapnia i magnezu, które występują w połączeniu z takimi anionami jak: jony wodorowęglanowe, wodorotlenkowe i węglanowe. Twardość niewęglanową tworzą jony wapnia i magnezu, które tworzą pary z anionami takimi jak: jony siarczanowe, chlorkowe i azotanowe.

Twardość wody jest wyrażana przy użyciu różnych jednostek, ale mając taką tabelkę (Tab.5) pod ręką można je łatwo przeliczać w zależności od potrzeb.

Tab.5 Jednostki twardości i współczynniki przeliczeniowe

Jednostka mg/dm3 CaCO3 mval/dm3 1°n francuska brytyjska
mg/dm3 CaCO3 1 50,04 0,056 0,10 0,070
mval/dm3 50,04 1 2,804 5,00 3,504
1°n 17,84 0,357 1 1,784 1,249
francuska 10 0,200 0,560 1 0,700
brytyjska 14,28 0,285 0,800 1,428 1

Przykład: stopień niemiecki: 1°n = 17,84 mg/dm3 CaCO3

Tab.5 Podział wody ze względu na jej twardość ogólną

mg CaCO3/dm3 °n Skala opisowa
0-50 0-2,8 miękka
50-100 2,8-5,6 średnio miękka
100-150 5,6-8,4 mało twarda
150-200 8,4-11,2 średnio twarda
200-300 11,2-16,8 twarda
powyżej 300 powyżej 16,8 bardzo twarda

W różnych publikacjach można się spotkać z nieco inną klasyfikacją wody pod względem twardości, co często wynika z wyróżniania większej lub mniejszej liczby grup wody np. wody bardzo miękkiej.

Zasadowość wody

Jest to zdolność wody do zobojętniana kwasów, a właściwość tę nadają wodzie wodorowęglany, węglany, rzadziej wodorotlenki, krzemiany i fosforany (Ca, Mg, Fe, Mn czasem też Na i K). Testy akwarystyczne do oznaczania twardości węglanowej, w zasadzie oznaczają zasadowość. Dlatego może się zdarzyć, że oznaczając twardość węglanową jej wartość będzie większa niż twardość ogólna. Jest to związane z faktem, że testy do twardości węglanowej oznaczają wszystkie znajdujące się w wodzie węglany i wodorowęglany, zarówno te związane z jonami Ca i Mg (odpowiedzialne za twardość węglanową) jak i te związane z jonami jednowartościowymi (głównie z sodem).

W badaniach wody, gdy zasadowość jest mniejsza od twardości ogólnej przyjmuje się, że jest ona równa twardości węglanowej (a więc określa stężenie wodorowęglanów (HCO3) i węglanów (CO32-) wapnia i magnezu). Dlatego nie musimy się przejmować, że używając testu do twardości węglanowej tak naprawdę oznaczamy zasadowość wody.

Dla praktyki akwarystycznej większe znaczenie od twardości ma zasadowość, która jest odpowiedzialna za zdolności buforowe wody. Im zasadowość jest wyższa tym woda charakteryzuje się większą stabilnością odczynu (jest mniej podatna na zmiany odczynu wody wywołane intensywną fotosyntezą roślin, podawaniem CO2 czy stosowaniem torfu). Taka woda jest natomiast utrapieniem dla osób hodujących ryby, które wymagają niskiego odczynu wody. Znaczna zasadowość (w akwarystyce twardość węglanowa) wody utrudnia obniżenie jej odczynu. Zasadowość wyraża się w tych samych jednostkach co twardość wody.

Ciepło właściwe wody

Woda charakteryzuje się dużym ciepłem właściwym (tzn. aby podnieść temperaturę 1 kg wody o 1°C wymagana jest duża ilość energii), co oznacza że woda powoli się nagrzewa i powoli oddaje swoje ciepło do otoczenia. Konsekwencją tego są małe wahania temperatury w ciągu doby i w ciągu roku w środowisku wodnym w odróżnieniu od lądów. Kto nie słyszał o różnicy temperatury na pustyni wynoszącej ok. 50°C pomiędzy nocą a dniem. Wahania temperatury powietrza w pobliżu zbiorników wodnych są łagodzone przez obecność wody, która w razie spadku temperatury powietrza stopniowo ochładza się oddając ciepło do atmosfery. W związku z tą właściwością wody organizmy ją zamieszkujące nie są przystosowane do gwałtownych zmiany temperatury, o czym musimy pamiętać zwłaszcza przy przenoszeniu ryb z jednego akwarium do drugiego.

Napięcie powierzchniowe wody

Woda charakteryzuje się dużym napięciem powierzchniowym. Najprościej zjawisko to można wytłumaczyć tendencją cieczy do zmniejszania swojej powierzchni, co objawia się przyjmowaniem przez nie kształtu kulistego. Sprawia to wrażenie jakby ciecz była pokryta elastyczną błonką (najwyraźniej zjawisko to można zaobserwować przyglądając się kroplom wody). Nie oznacza to, że w naszych akwariach nie ma takiej błonki na powierzchni. Jest, gdyż woda w każdych warunkach dąży do zmniejszenia swojej powierzchni na skutek działania siły (jest to siła wypadkowa wielu innych sił działających na cząsteczkę wody, między innymi siły napięcia powierzchniowego), która wciąga cząsteczkę wody w głąb cieczy. Dzięki istnieniu takiej błonki, na jej powierzchni zarówno od strony atmosfery jak i od strony wody mogą poruszać się organizmy żywe lub pędzić tam część lub całe swoje życie. jest to delikatny ekosystem, który łatwo jest niszczony na skutek ruchu wody.

W naszych akwariach możemy taką błonkę zaobserwować gdy stosujemy filtry o małym przepływie nie wzburzające powierzchni wody oraz gdy akwaria są odkryte, wówczas błonka staje się widoczna gołym okiem ze względu na osadzanie się na niej zanieczyszczeń z powietrza, o charakterze hydrofobowym (nie rozpuszczających się w wodzie). Największym niebezpieczeństwem dla organizmów wykorzystujących to środowisko są detergenty, które zmniejszają napięcie powierzchniowe w ten sposób można utopić nartnika. Uwierzcie w to na słowo i nie testujcie tej metody. Najlepszym sposobem na pozbycie się błonki powierzchniowej jest napowietrzanie wody lub skierowanie wylotu filtra tak, aby wzburzał powierzchnię wody.

Literatura

Dojlido J.R.: (1995), Chemia wody, Wydawnictwo Ekonomia i Środowisko, Białystok;
Gomółka E., Szaynok A.: (1997) Chemia wody i powietrza, Oficyna wydawnicza Politechniki Wrocławkiej, Wrocław;
Macioszczyk A.: (1987) Hydrogeochemia, Wydawnictwa Geologiczne, Warszawa;
http://www.ar.wroc.pl/~weber/geology.htm.

Leave A Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *