De hardheid van water weerspiegelt de hoeveelheid calcium en magnesium in water. Calcium en magnesium lossen niet makkelijk in water op. Vandaar het bekende beeld van kalkaanslag op het glas boven het wateroppervlakte. De algemene hardheid is voor (volwassen) vissen overschat en voor planten nauwelijks van belang, mits er maar wat van aanwezig is. Garnalen, slakken en jonge vissen hebben wel baat bij wat harder water.
De hardheid, GH, wordt vaak uitgedrukt in “Duitse hardheid”, dGH, waarbij 1 dGH gelijk is aan 7.143 mg/l calcium of 4.3 mg/l magnesium of 10 mg/l calciumoxide, CaO, of 17.86 mg/l calciumcarbonaat, CaCO3.
Hardheid van water
Hardheid en alkaliteit
Als er in de aquascaping en aquarium hobby’s wordt gesproken over vissen en invertebraten (bijvoorbeeld slakken en garnalen), wordt met “hard water” vaak de algemene hardheid (GH) bedoelt. Als er wordt gesproken over planten, wordt met “hard water” vaak de alkaliteit (KH) bedoelt.
In de natuur gaan GH en KH doorgaans samen op. Ze zijn namelijk afkomstig van dezelfde kalksteen- of dolomietbronnen. Kalksteen bestaat uit calciumcarbonaat, CaCO3 , en dolomiet is een combinatie van calciumcarbonaat en magnesiumcarbonaat. Water stroomt door de rotsen in de grond en vindt zijn weg naar rivieren en meren. Onderweg neemt het mineralen op, waardoor het water, zowel in GH als in KH, harder wordt.
Wanneer kalksteen en dolomiet oplossen in water, is de ene helft van het molecuul calcium, Ca+2 of magnesium, Mg+2 en de andere helft is het carbonaat, CO3-2.
In de natuur gaan hardheid en alkaliteit dus gelijk op. Het zijn echter afzonderlijke eigenschappen. Carbonaat bepaald voor een groot deel de alkaliteit (KH) van water.
De kationen (=positief geladen ionen) calcium en magnesium vormen in de natuur niet alleen een zout met carbonaat, maar ook met sulfaat, chloride of fosfaat. Daarom kan water ook een hoge GH waarde hebben en een lage KH. Omgekeerd kan ook. De KH wordt hoger door middel van kaliuumcarbonaat, K2CO3 , zonder dat GH toeneemt. GH wordt hoger door middel van calciumsulfaat, CaSO4 , zonder dat KH toeneemt.
Hardheid en GH
De algemene hardheid van water wordt gedefinieerd als de concentratie aardalkalimetaal ionen opgelost in het water. Aardalkalimetaal ionen zijn kationen (2+ ionen), waarvan calcium, Ca2+ en magnesium, Mg2+ relevant zijn voor zoetwater aquaria. De ladingen laat ik voor het gemak meestal weg. Dan staat er alleen Ca en Mg.
De term GH komt van “general hardness”, wat verkeerd vertaald is uit het Duitse “Gesamthärte”, wat “totale hardheid” betekent.
Totale hardheid is de som van carbonaathardheid en niet-carbonaathardheid.
Carbonaathardheid (“tijdelijke hardheid”) is dat deel van de Ca en Mg ionen, waarvoor een equivalente hoeveelheid anionen van koolzuur aanwezig is (waterstofcarbonaat, HCO3 en carbonaat, CO3).
Bij water dat kookt verdwijnt het carbonaat.
Niet-carbonaathardheid (“permanente hardheid”) is dat deel van de Ca en Mg ionen, waarvoor er een equivalente hoeveelheid van andere anionen aanwezig is, zoals chloride, sulfaat, nitraat, fosfaat, silicaat.
Het belang van hardheid
De rol van GH is kleiner dan vaak wordt aangenomen. Met name voor het opkweken van veel vissoorten is er een bepaalde GH nodig. Planten hebben wat GH nodig. Ongewervelden hebben met name calcium nodig.
Vissen en hardheid
De GH is nauwelijks van belangrijk voor volwassen vissen. Een GH van 20 GH (~1dGH) tot 300 GH (~17 dGH) is prima voor alle volwassen vissen. Volwassen vissen hebben mechanismen die behoorlijk efficiënt zijn in het omgaan met grote variaties in GH.
Zo is er een studie gedaan naar hoogvinkarpers, waarbij de groeisnelheid werd vergeleken in hard water (250 GH, 340 KH) versus zacht water (18 GH, 72 KH). Er was geen verschil in groeisnelheid of sterfte tussen deze twee groepen.
Totale hardheid is vooral belangrijk bij het kweken van jongen. Calcium is cruciaal voor de ontwikkeling van eieren, botten en weefsels. Uiteraard speelt dieet hierin een rol. Calcium kan immers uit water, maar ook uit voedsel worden gehaald.
Garnalen, slakken en hardheid
Als garnalen of slakken niet genoeg calcium en magnesium krijgen, zal de schaal niet sterk zijn en breken tijdens de vervelling (de “witte ring des doods” bij garnalen). De garnaal kan de afgebroken schaal er niet afkrijgen en gaat daardoor dood. Maar omgekeerd, te veel calcium en magnesium en de schaal zal te sterk zijn en zeer zware inspanningen vergen voor de garnaal om het eraf te krijgen. Deze inspanning kan de garnaal overbelasten en doden.
Voor de “optimum” wil men voldoende calcium en magnesium toevoegen om de dGH naar 6 te brengen en niet veel hoger. Maar maak er geen wetenschap van.
Planten en hardheid
Planten hebben wat calcium en magnesium nodig. Doorgaans is de concentratie calcum en magnesium in kraanwater voldoende. Te veel hardheid vormt eigenlijk nooit een probleem. Het is sowieso niet makkelijk om meer dan 150 ppm hardheid in water te krijgen omwille van de oplosbaarheid van calciumcarbonaat (~ 315 ppm).
Naarmate het water opwarmt, daalt de GH waarde, omdat warm water minder opgeloste gassen kan bevatten. Het is het CO2 gehalte dat het oplossen van CaCO3 reguleert.
In zeer hard water zijn veel plantenvoedingsstoffen minder beschikbaar en hoge gehalten aan Ca ionen kunnen de opname van Mg, Fe en K ionen en biocalcificatie verstoren.
De hardheid neemt in een bak met planten over tijd wat af, omdat planten calcium en magnesium opnemen.
Berekening van de GH waarde
De GH waarde, is een maat voor de concentratie van calcium en magnesium. Het meten van de GH waarde wordt uitgedrukt in dGH, of Duitse hardheid, en is gebaseerd op calciumoxide of calciumcarbonaat equivalenten.
De bovengrens van een hoge GH ligt zo rond 125 mg/l (ppm), oftewel 18 dGH calcium. In theorie zou het nog hoger kunnen liggen, maar temperatuur speelt een rol. Warmer water houdt minder opgeloste gassen vast, waaronder CO2. En CO2 reguleert de oplossing van CaCO3. Hierdoor zal de CaCO3 concentratie in een aquarium niet boven 322 mg/l uitkomen, waarvan 125 mg/l uit calcium bestaat.
dGH en calciumoxide
1 dGH is gelijk aan 10 mg calciumoxide, CaO, per liter water. Dit is de definitie van dGH.
Dus 1dGH = 10 mg/l CaO
Hoeveel calcium zit hier in? Kwestie van calciumoxide ontleden.
Calciumoxide heeft een molaire massa heeft van 56 g/mol, bestaande uit 40 g/mol calcium en 16 g/mol zuurstof.
40/56 * 10 mg/l CaO = 7.143 mg/l Ca
Dus 1dGH = 7.143 mg/l Ca
Als in water 30 ppm calcium voorkomt, dan is de dGH op basis van alleen calcium gelijk aan 30/7,1 = 4,23 dGH.
Voor de goede orde: parts per million (ppm) = miligram per liter (mg/l)
dGH en calciumcarbonaat
Het meten van dGH wordt meestal uitgedrukt op basis van calciumcarbonaat (CaCO3). Hoe verhoudt zich dit tot CaO, oftewel 7.143 mg/l calcium?
De molaire massa van calciumcarbonaat is 100 g/mol.
7.143 mg/l calcium is gelijk aan 100/40 * 7.143 = 17.8575 mg/l CaCO3.
Of 17.8575 ppm CaCO3.
Dus 1dGH = 17.86 mg/l CaCO3
Een oplossing van 10 mg/l calciumoxide bevat dus evenveel calciumionen als 17.86 mg/l CaCO. Vaak wordt dit aangehouden als de verhouding tussen dGH en GH. 1 dGH is gelijk aan 17,86 GH.
Ook zijn teststrips waarmee de waterhardheid wordt gemeten, gebaseerd op CaCO3. 1 druppel komt overeen met 17.86 mg/l calciumcarbonaat, CaCO3.
dGH en magnesium
Water kan natuurlijk ook Magnesium (Mg) bevatten. Mg heeft een atoommassa van 24 g/mol. Als we dit vermenigvuldigen met 17.8575 mg/l CaCO3, komen we uit op 4.3 ppm Mg2+.
Dus 1dGH = 4.3 mg/l Mg
Als in water 20 ppm magnesium voorkomt, dan is de dGH op basis van alleen magnesium gelijk aan 20/4,3 = 4,65 dGH.
Kraanwater
In Nederlands en Vlaams kraanwater zit zowel calcium als magnesium. Jouw kraanwater leveranciers publiceert periodiek wat er in het kraanwater zit. Op basis van de cacium en magnesium hoeveelheden kun je nu heel makkelijk de dGH van jouw kraanwater berekenen. Lees verder over kraanwater.
Blijf scapen,
Ruud
@ Nature Scapes