Hardheid (GH) van water in een aquarium
De hardheid van water weerspiegelt de concentraties opgeloste calcium en magnesium in water. Calcium en magnesium zijn essentieel voor planten en dieren, maar ze zijn voor hun behoefte niet louter afhankelijk van de aanwezigheid van opgeloste calcium en magnesium in water. Alleen opgeloste calcium en magnesium in water is meetbaar. Het belang van waterhardheid wordt in de aquarium hobby dan ook overschat. Een lage waterhardheid, ergens tussen de 1 en 8 dGH, is voor de meeste toepassingen prima.
Chemie van waterhardheid
De hardheid van water wordt gedefinieerd als de concentratie aardalkalimetaal ionen opgelost in het water. Aardalkalimetaal ionen zijn kationen, oftewel positief geladen ionen, waarvan calcium Ca2+ en magnesium Mg2+ relevant zijn voor zoetwater aquaria. De ladingen worden voor het gemak vaak weggelaten. Dan staat er alleen Ca en Mg.
Het totaal aan calcium en magnesium in water wordt vaak aangeduid met de term GH. GH staat voor “general hardness”, wat een verkeerde vertaling is van het Duitse “Gesamthärte”, wat “totale hardheid” betekent.
Totale hardheid
Keukenzout is natriumchloride en bestaat uit een kation natrium Na+ en een anion chloride Cl–. Een anion is een negatief geladen ion. In water lost natriumchloride op in een kation Na+ en een anion Cl–. Liefhebbers van beplante aquaria gebruiken weer andere zouten om hun planten te voeden. Het bekendste zout is KNO3 dat bestaat uit de twee meest behoevende voedingsstoffen voor planten: kalium K+ en nitraat NO3–. In water lost KNO3 op in K+ en NO3–.
Ook calcium en magnesium kunnen als losse kationen in water voorkomen of gebonden zijn aan anionen en dus een zout vormen. We maken hierin onderscheid tussen een verbinding met carbonaat en een verbinding met een ander anionen (niet-carbonaathardheid).
- Carbonaathardheid verwijst naar calcium- en magnesiumionen in water die binden met carbonaat-ionen. Calciumcarbonaat of magnesiumcarbonaat opgelost in water wordt scheikundig aangeduid als CaCO3(aq) en MgCO3(aq). Calciumcarbonaat en magnesiumcarbonaat kan ook in vaste vorm neerslaan. Dit wordt dan aangeduid als CaCO3(s) en MgCO3(s). We zien dit als witte afzetting terug op bijvoorbeeld aquariumruiten en soms op bladeren van planten. Neergeslagen calcium- of magnesiumcarbonaat kan niet worden gemeten met een testje waarmee de waterhardheid wordt bepaald..
- Niet-carbonaathardheid verwijst naar calcium- en magnesiumionen in water die binden met andere anionen, zoals nitraat, sulfaat, fosfaat en chloriden. Ook deze zouten, dus bijvoorbeeld calciumfosfaat, kan neerslaan in vaste vorm. Het neerslaan van een zout in water, dus ook van hangt af van calciumcarbonaat en magnesiumcarbonaat, hangt af van diverse factoren, zoals temperatuur, concentraties en pH.
Carbonaathardheid
Carbonaathardheid verwijst dus naar calcium- en magnesiumionen in water die binden met carbonaat-ionen. In de natuur zien we dit met regelmaat terug. Met name in gebieden waar het water langs kalksteen- of dolomietbronnen stroomt. Kalksteen bestaat uit calciumcarbonaat, CaCO3 en dolomiet is een combinatie van calciumcarbonaat en magnesiumcarbonaat, MgCO3.
Zoals calcium en magnesium ook met andere anionen kan binden dan alleen carbonaat, zo kan carbonaat zich binden met andere cationen. Gebonden aan kalium ontstaat kaliumcarbonaat, K2CO3.
Calcium en magnesium hebben echter afzonderlijke eigenschappen van carbonaat. Calcium en magnesium verwijzen naar de hardheid van water. Carbonaat bepaald voor een groot deel de alkaliteit van water, wat een zeer grote rol speelt voor de zuurgraad (pH).
Maar als aquarium hobbyisten spreken over hard water, kan dit verschillende betekenissen hebben. Of ze verwijzen correct naar calcium en magnesium in water. Of ze verwijzen, wellicht onbewust, naar carbonaathardheid, dus calciumcarbonaat en magnesiumcarbonaat, en daarmee naar een hoge GH, KH en pH waarde.
GH meten
Een indicatie van de concentraties calcium en magnesium in water kan worden verkregen met een zogenaamd GH testje. Om calcium en magnesium te kunnen meten, mogen deze ionen vrij zijn of gebonden zijn aan carbonaat of andere anionen. Mits het maar in oplossing van water zit en niet is neergeslagen. Als je veel witte afzetting aantreft mag je er vanuit gaan dat ook het water hard zal zijn.
Biologie en waterhardheid
Calcium en magnesium zijn essentiële voedingsstoffen voor planten en dieren. Vissen hebben bijvoorbeeld calcium nodig voor de ontwikkeling van hun botten, omdat botten grotendeels uit calciumfosfaat bestaan.
Vissen en hardheid
De rol van hardheid is kleiner dan vaak wordt aangenomen. Dieren kunnen calcium en magnesium zowel uit het water als uit hun voedsel halen. De hardheid van kraanwater is meestal groot genoeg om voldoende calcium en magnesium voor aquatische dieren te leveren. Volwassen vissen hebben mechanismen die behoorlijk efficiënt zijn in het omgaan met grote variaties in GH. In een studie naar hoogvinkarpers, Poecilia velifera, bijvoorbeeld, werd de groeisnelheid vergeleken in hard water (250 GH) versus zacht water (18 GH). Er was geen verschil in groeisnelheid of sterfte tussen deze twee groepen. Een GH van 20 ppm (~1dGH) tot 300 ppm (~17 dGH) is prima voor de meeste volwassen vissoorten.
Vissenkweek en hardheid
Hardheid is vaak relevant voor de kweek van vissen. Eieren neigen te hydrateren bij lage calciumconcentraties en dat heeft een negatief effect op de ontwikkeling en uitkomst. De minimale concentraties van calciumionen voor goede ontwikkeling en uitkomst zijn gerapporteerd als 10 ppm voor eieren van bruine forel en 4 ppm voor die van kanaalmeerval. Een recente studie suggereerde dat de minimale calciumconcentratie van kanaalmeervallen 10 ppm zou moeten zijn, en de beste uitkomst en overleving van de larven werden bereikt bij ongeveer 30 ppm. Afijn, dit zijn enkele voorbeelden. Voor vissoorten uit zogenaamde zwartwater habitats, zal dit niet gelden.
pH en hardheid
Calcium helpt om de stijging van de pH te minimaliseren die kan optreden wanneer de fotosynthesesnelheid hoog is. Nadat planten het water hebben ontdaan van vrij kooldioxide, kunnen ze bicarbonaat als koolstofbron gebruiken. Maar bij het gebruik van bicarbonaat geven planten carbonaat vrij dat hydrolyseert en een pH stijging veroorzaakt. Calciumionen reageren bij verhoogde pH door carbonaationen te neerslaan als calciumcarbonaat, en deze reactie minimaliseert de hoeveelheid carbonaat in het water die kan hydrolyseren en de pH kan verhogen.
Er zijn vijverwateren waarin de alkaliniteit hoog is en de calciumconcentratie laag. Deze combinatie kan in de namiddag leiden tot gevaarlijk hoge pH waarden wanneer de fotosynthese snel verloopt. Calcium sulfaat kan worden toegepast om de concentratie calciumionen te verhogen. Als algemene regel is het wenselijk dat de hardheid vergelijkbaar is met of groter dan de alkaliniteit. Ongeveer 2 mg/L calciumsulfaat is nodig om 1 mg/L hardheid te leveren.
Toxiciteit en hardheid
Calciumionen beïnvloeden de toxiciteit van sporenelementen voor vissen en andere aquacultuursoorten. De aanwezigheid van calcium blokkeert de opname van metaalionen via de kieuwen, waardoor een hogere concentratie van opgeloste metalen nodig is om een toxisch effect te veroorzaken.
De dodelijke concentraties van metaalionen zoals koper, zink, lood, cadmium en chroom zijn doorgaans aanzienlijk hoger in harder water dan in zachter water. Ter illustratie: de 96-uurs letale concentratie 50 (L.C.50) van koper voor kanaalmeervallen werd gerapporteerd als 0,051-0,065 mg/L in water met een hardheid van 16 mg/L, maar 1,040-1,880 mg/L in water met een hardheid van 287 mg/L. LC.50 is een standaardmaat voor de toxiciteit van een medium dat de helft van de populatie van de onderzochte soort binnen een specifieke blootstellingsperiode zal doden.
Turbiditeit en hardheid
Hardheid in water bevordert ook de vlokking en neerslag van zwevende kleideeltjes om de troebelheid te verminderen. Een overvloed aan calcium- en magnesiumionen neutraliseert de negatieve ladingen op zwevende kleideeltjes, waardoor ze samenklonteren en een massa vormen die zwaar genoeg is om neer te slaan. Calciumsulfaat wordt vaak toegepast in vijvers om de troebelheid van het water te verminderen.
Garnalen, slakken en hardheid
Als garnalen of slakken niet genoeg calcium en magnesium binnenkrijgen, zal voor slakken de schaal niet sterk zijn en bij garnalen leiden tot onvolledige of mislukte vervellingen.
Veel meer dan bij vissen, lijkt er te worden gewezen op het belang van waterhardheid. Mijn persoonlijke ervaring, wat vrijwel louter gestoeld is op zacht tot zeer zacht water en beplante aquaria, is dat de aanwezigheid van kalksteen in het aquarium, slakken en garnalen zeer ten goede lijkt te komen. Of dit nu komt door het water dat verhard wordt door de aanwezigheid van kalksteen, en / of door het feit dat de biofilm dat groeit op het kalksteen rijk is aan calcium, laat ik in het midden.
Planten en hardheid
Planten hebben niet veel calcium en magnesium nodig. In een beplant aquarium in “lage energie modus”, dus zwakker licht en geen toevoeging van CO2 gas, is toevoeging van kraanwater ter compensatie van verdampt en geconsumeerd water, vrijwel altijd voldoende. Ook gebonden calcium en magnesium dat in het substraat terecht komt, kan door pH manipulatie van plantenwortels vrij worden gemaakt voor inname
Maar een hoge waterhardheid vormt ook zelden een probleem. Het is sowieso niet makkelijk om meer dan 150 ppm hardheid in water te krijgen, vanwege de beperkte oplosbaarheid van calciumcarbonaat. Ca ionen kunnen wel negatief interfereren met onder meer kalium en ijzer ionen, wat de beschikbaarheid van deze laatste mineralen minder maakt. Daarom geniet zacht water de voorkeur voor planten.
Biogene ontkalking
Sommige waterplanten, zoals Elodea, Najas, Eigeria, Ceratophyllum en Vallisneria, kunnen bicarbonaat HCO3– absorberen en zullen het opnemen wanneer de CO2 concentratie laag is (en de lichtintensiteit hoog). Carbonaat zal in het gemiddelde aquarium voornamelijk als bicarbonaat voorkomen.
Bij de opname van bicarbonaat zullen ze hydroxide OH– uitscheiden, waardoor de pH bij de bladeren zeer sterk wordt verhoogd. De hoge pH zorgt ervoor dat het aanwezige calciumcarbonaat in water neerslaat op hun bladeren. Zo ontstaat er vaak een laagje calciumcarbonaat op de bladeren van deze planten. Een betere waterdoorstroming en het verzwakken van licht voorkomt dat bepaalde plantensoorten dit zullen vertonen.
Berekening van waterhardheid
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.
Hoe hard moet aquariumwater zijn?
Een reden waarom een aquarium wel eens als stressvol wordt ervaren, is dat de eigenaar zijn aquarium beschouwd als een “natuurkundig project” en heel secuur bepaalde waterwaarden probeert na te streven. Maar een aquarium moet als “biologie prioject” worden beschouwd. Organismen zijn geen passieve passanten, maar oefenen invloed uit op hun omgeving en zijn in staat tot op zekere hoogte om hun mineralenhuishouding zelf te reguleren.
Als ezelsbruggetje doe je er goed aan om organismen het water te geven dat tot op zekere hoogte overeenkomt met hun natuurlijk omgeving.
In feite doen vrijwel alle planten het heel goed in zacht tot neutraal water, al zullen de meeste soorten ook hard water prima overleven. Invertebraten doen het goed in neutraal tot hard water, al doen tenminste de “biofilm grazers”, zoals slakken en veel garnaalsoorten, het ook goed in zacht water met de aanwezigheid van kalksteen.
De meeste volwassen vissen doen het prima in zacht tot neutraal water. Vissen afkomstig uit zwartwater biotopen, geef ik “zwart water”, oftewel zeer mineraal-arm water, oftewel water zonder calcium, magnesium, etc. En vissen afkomstig uit hard water biotopen, zou ik hard water geven.
Nogmaals, maak er geen natuurkundig project van. Ik zou voor dieren veel meer aandacht besteden aan de kwaliteit van voedsel dan aan waterhardheid. Zacht tot neutraal water is prima geschikt voor de meeste vissoorten in de hobby. Dit water komt hoogstwaarschijnlijk overeen met het water uit je kraan.
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
Heb je vragen of opmerkingen? Stuur me gerust een bericht: