Zuurgraad (pH) van water in een aquarium

Leestijd 7 minuten / Laatst gewijzigd 31 maart 2024 / Auteur Ruud de Keijzer

De zuurgraad van water in een aquarium speelt een rol in verschillende biologische processen. Er wordt nog wel eens gezegd dat het belangrijkste aspect van pH waarde, de stabiliteit is. Een stabiele pH zou voor een gezond aquarium zorgen. Een snelle verlaging van de pH waarde moet koste wat kost worden vermeden.

De pH waarde op een gegeven locatie in de natuur varieert en fluctueert echter behoorlijk. Voor een groot deel conform voorspelbare patronen. Misschien is het tijd om de rol van pH te herzien. En misschien kunnen we de pH ook gewoon negeren.

Zuurgraad van water

De zuurgraad is een maat voor hoe zuur of basisch water is. Het staat voor de verhouding van positieve elektrische ladingen als gevolg van geïoniseerde waterstofkationen, H+ , versus de negatieve elektrische ladingen van hydroxyl-anionen, OH- . Voor het gemak spreek ik hier over ionen.

H+ kan niet op zichzelf bestaan en verbindt zich losjes met H2O tot hydronium H3O+. Meestal wordt H+ wordt genoteerd.

Als er exact dezelfde hoeveelheid H+ en OH- ionen zijn, dan worden alle positieve ladingen in evenwicht gehouden door alle negatieve ladingen. De zuurgraad is dan neutraal. Als er naar verhouding meer H+ ionen zijn, dan is het water zuur. Zijn er naar verhouding minder H+ ionen, dan is het water alkalisch of basisch.

Zuurgraad en water

Water is een zogenaamde amfolyt. Zowel een zuur als een base.

H2O + H2O → OH- + H3O+

H2O + H2O → OH- + H+ dus

Een van de twee H2O moleculen staat een H+ af. Er blijft dan OH- over. Het tweede H2O molecuul neemt het H+ molecuul op en reageert dus als een base.

Zuiver water is dus neutraal.

Zuurgraad en CO2

Wanneer water in contact komt met lucht, wordt CO2 in het water opgenomen. Wanneer CO2 wordt opgelost in water, reageert een deel ervan met water en vormt het koolzuur:

CO2 + H2O → H2CO3

Koolzuur is zelf niet zuur, maar kan verzurende waterstofionen afstaan in een evenwichtsreactie:

H2CO3 + H2O → H3O+ + HCO3 → 2H+ + CO32-.

De eerste reactie levert dus H+ en bicarbonaat op. De tweede reactie levert 2 H+ ionen op en carbonaat.

De vrijgekomen waterstof-ionen H+ zorgen voor verlaging van de zuurgraad. Als CO2 de enige H+ ionen donor is, is de zuurgraad uitgedrukt in pH ongeveer 7.8. 

In een aquarium komen door decompositie ook andere zuren voor die de pH doen dalen.

Zuurgraad en KH

De vrijgekomen H+ ionen kunnen worden opgenomen door basen. Een base of alkali, is een negatief geladen ion (anion) dat dissocieert en daarmee zorgt voor een toename van OH- ionen, waarmee waterstofionen (H+) worden verbonden. Dit zorgt ervoor dat de pH niet daalt zolang er OH- ionen zijn.

Zie het voor je als een onzichtbare spons. Zolang de spons H+ ionen opneemt, heeft het zuur geen invloed op de pH. Zodra de spons is verzadigd, zullen de overige H+ ionen de zuurgraad doen dalen.

Vaak wordt deze spons aangeduid met de termen alkaliteit, carbonaathardheid of KH. Bicarbonaat, HCO3 , is de belangrijkste alkali dat H+ ionen opneemt.

HCO3 is een verbinding van CO2 en hydroxyl-ion OH . Bicarbonaat reageert in water met H+ ionen:

HCO3 + H+ → H2O + CO2

Daarmee zien we CO2 terugkeren. Zuurgraad, alkaliteit en CO2 zijn sterk met elkaar verbonden. De pH van een waterige oplossing is direct afhankelijk van de verhouding CO2 en HCO3. Stijging van de HCO3-concentratie leidt tot een stijging van de pH. Stijging van de CO2 concentratie leidt tot een daling van de pH. 

Zuurgraad, CO2 en KH

Uit het voorgaand mag duidelijk zijn dat de zuurgraad, alkaliteit en koolstofdioxide aan elkaar zijn gekoppeld.

Als de pH stijgt (lage concentratie H+), kan bicarbonaat dissociëren tot carbonaat en meer H+-ionen afgeven, waardoor de pH daalt. Omgekeerd, als de pH te laag wordt (hoge concentratie H+), kunnen bicarbonaat en carbonaat enkele van die H+-ionen opnemen en bicarbonaat, koolzuur of CO2 produceren om H+-ionen te verwijderen en de pH te verhogen. Door H+ ionen heen en weer te pendelen tussen de verschillende verbindingen, wordt de pH gereguleerd.

In een aquarium wordt de concentratie bicarbonaten over tijd lager. Planten, algen en ammonia oxiderende microben nemen in zekere mate carbonaten en bicarbonaten op.

Daarnaast komen er ook andere zuren voor. En speelt ook de temperatuur een rol.

Aan de complexe relatie tussen alkaliteit, zuurgraad en koolstofdioxide heb ik een artikel gewijd: KH – pH – CO2 equilibrium.

Stabiliteit versus fluctuatie

Fluctuaties in de zuurgraad die het gevolg zijn van veranderingen in CO2 concentraties komen vaak voor in veel natuurlijke watermassa’s. CO2 bouwt zich ’s nachts op in natuurlijke watermassa’s als gevolg van organische afbraak. Hierdoor daalt de pH in het water. Zodra zonlicht toeslaat, beginnen planten het systeem van CO2 af te tappen als onderdeel van fotosynthese. Hierdoor stijgt de pH in het water.

Schommelingen van 1 of 2 volledige pH waarden zijn gebruikelijk in veel natuurlijke watermassa’s; dit gebeurt meestal vrij snel tussen zonsopgang en middag, omdat de vegetatie het water snel ontdoet van koolstofdioxide als de zon op is.

Noch vissen noch planten die in deze natuurlijke wateren leven, worden beïnvloed door deze veranderingen.

In veel aquaria waar gebruik gemaakt wordt van CO2 injectie zien we iets soortgelijks. En mag je op basis van ervaringen van hobbyisten op internationale forums concluderen dat een gebruikelijke CO2 fluctuatie van 1 tot 1,5 waarden, geen enkel probleem oplevert voor plant of dier.

Wetenschappelijk onderzoek is er ook naar gedaan. Zie “Evaluation of pH Shock on Hatchery-reed Rainbow Trout (Witschi et al, 2011)”:

“Het effect van het overbrengen van regenboogforel (Salmo gairdneri) uit water met een pH van 7,2 naar water met een pH van 8,5 tot 10,0 werd geëvalueerd in 48-uurs tests. Alle vissen overleefden in de controle (pH 7,2) en bij pH 8,5. Overleving was 88% bij pH 9,0, 68% bij pH 9,5 en O2 bij pH 10,0. Na de blootstelling van 48 uur kregen de resterende testvissen hun gebruikelijke korrelvoer. Forel in de controle en die op pH 8,5 werden goed gevoerd. Slechts een paar van de vissen die bij een pH van 9,0 werden gehouden, en geen van de vissen die bij een pH van 9,5 werden gehouden, werden gevoerd.” Dus onmiddellijk van pH 7,2 naar pH 8,5 gaan had geen invloed op regenboogforel.

De rol van de zuurgraad

Fluctuates zijn over het algemeen niet relevant. Hoe zit het met de waarden zelf?

Zuurgraad en vissen

De pH waarde heeft invloed op de fysiologie en reproductie van vissen en andere dieren. Te lang in rondzwemmen die ver buiten het gemiddelde pH niveau ligt, is nadelig voor veel vissoorten. Maar voor de meeste vissoorten is de pH range veel breder dan wordt aangenomen. Voor de reproductie kan voor bepaalde soorten een bepaalde pH noodzakelijk zijn en vaak in combinatie met andere factoren, zoals de temperatuur.

Maak je je toch zorgen. Focus dan op KH in plaats van pH. In beplante aquaria is dit helemaal vanzelfsprekend.

Zuurgraad en planten

De pH waarde heeft invloed op planten. De pH van het substraat heeft een directe invloed op de beschikbaarheid van voedingsstoffen in de rhizosfeer en de opname van voedingsstoffen door planten. Macronutriënten zoals stikstof, kalium, calcium, magnesium en zwavel zijn in hoge mate beschikbaar bij pH 6,0-6,5, terwijl micronutriënten minder beschikbaar worden bij hogere, alkalische pH (pH > 7,0).

Het onderzoek wat hier naar gedaan is, slaat weliswaar op terrestrische condities en substraat, maar het komt neer op ionen die via verschillende wegen opgenomen kunnen worden door planten. Ook via de bladeren.

Met name ijzer (iron) is een veel besproken element, omdat het ook nog eens makkelijk reageert met andere elementen. Toch valt het in de praktijk meestal wel weer mee.

Kleuren nieuwe bladeren wit, dan zul je misschien op onderzoek uit moeten.

Uit de ervaringen van ervaren hobbyisten op internationale forums, mag duidelijk worden dat planten uit zuurder water het vaak ook prima doen in alkalischer water. En omgekeerd. Slechts een handvol planten doen het echt beter in zuurder water.

Zuurgraad en ammonia

Ammonia komt vrij uit uitscheiding door dieren, voedselresten en afstervend plantmateriaal. Ammonia bestaat uit het veel minder giftige ammonium, of geïoniseerd ammonia, NH4+, én het niet-geïoniseerde, “vrije”, of gasvormige ammoniak, NH3. De verhouding NH3, NH4+ varieert met de temperatuur en de pH van het water. Hoe hoger beide zijn, hoe groter het giftige aandeel NH3.

Reden om je pH aan te passen? Niet echt. Ammonia wordt omgezet door bepaalde microben in het veel minder giftige nitraat. Planten, indien aanwezig, nemen ammonia op. Schimmels ook.

Berekening van de pH waarde

De zuurgraad wordt uitgedrukt in pH. De pH waarde is een ratio van positief geladen waterstofionen, H+, ten opzichte van negatief geladen hydroxylionen, OH-. Als er precies dezelfde concentratie H+ en OH- is, worden alle positieve ladingen gecompenseerd door alle negatieve ladingen. De pH waarde is dan neutraal.

De pH varieert dus ruwweg van 1 tot 14, en pH 7 – waar waterstofionen en hydroxylionen concentraties gelijk zijn. Wanneer er meer waterstofionen (H+) dan hydroxylionen (OH-) zijn, zal de pH lager zijn dan 7 en wordt de oplossing als zuur beschouwd. Wanneer er meer hydroxylionen zijn, wordt het als basisch beschouwd en zal de pH hoger zijn dan 7.

Zuiver water heeft een waterstofionenconcentratie van 10-7 mol/L (pH 7). Het product van waterstofionen en hydroxyl (OH-) ionenconcentraties in zuiver water moet gelijk zijn aan 10-14 bij 20 °C. Dit is een basiskenmerk van water.

Omdat de pH is gebaseerd op logaritmen, betekent een afname met 1 waarde, dat het zuur 10 keer zuurder is en een toename met 1 betekent dat het 10 keer basischer is.

Er zijn twee manieren om de pH van een oplossing te berekenen. Op basis van de concentratie waterstof of op basis van de concentratie hydroxide. Op basis van de waterstof concentratie, worden het aantal waterstofionen gedeeld door het volume, in liters, van de oplossing. En daar wordt dan de negatieve log van berekent. Het resultaat ligt tussen de 0 en 14.

Als de waterstofconcentratie bijvoorbeeld 0,01 is, is de negatieve logaritmische waarde 2, of de pH.

pH = -log ([H+])

De haken [] staan in de chemie voor concentratie.

De concentratie van waterstofionen is altijd een molaire concentratie. 1 mol komt overeen met 6.022 × 1023 deeltjes. Heel veel dus. De concentratie is dan x mol per liter. Vaak wort micro-mol gehanteerd. Dat is dan 1 miljoenste deel van 1 mol. Oftewel, 6.022 × 1017 deeltjes.

Bijvoorbeeld: 0.0001 mol H+ ionen per 1 liter water komt overeen met 4 pH.

Omgekeerd kun je het ook berekenen. Hiervoor moeten we de logaritme omkeren door 10 te verheffen tot de macht van de negatieve pH.

[H+] = 10-pH

Met behulp van deze vergelijking vinden we dat als de pH van een oplossing 7 is, dan [H+] = 10-7 mol. Als de pH van een oplossing 0 is, dan is zit er 1 mol H+ ionen per 1 liter water.

Blijf slapen,
Ruud

@ Nature Scapes