CO2 e carbonati - Elementi di chimica

Scritto da Paky il . Postato in Chimica dell'acquario

Il calcolo della CO2 disciolta

Eccoci arrivati alla famosa formula del calcolo della CO2, che lega il KH, il pH e la quantità di CO2 disciolta.

Anche questo è uno degli argomenti più noti e dibattuti dell'acquariofilia...

... ma noi, come è consuetudine, e come ben sapete, la facciamo facile.

È sufficiente mettere insieme quanto abbiamo scoperto finora.

Se ci avete seguito, non dovrebbe essere difficile...

La costante di dissociazione acida (Ka) dell'acido carbonico lega il pH, la concentrazione di ione bicarbonato e l'acido carbonico.

Invece la costante di idratazione lega la CO2 disciolta all'acido carbonico.

Se le moltiplichiamo, otteniamo:

Ka × Kh = ([H+][HCO3-]/[H2CO3]) × ([H2CO3]/[CO2]) = [H+][HCO3-]/[CO2]

Abbiamo quindi una formula che lega pH, la concentrazione di ione bicarbonato e la CO2 disciolta!

Volendo si può fare qualche passaggio matematico in più per ottenere la concentrazione relativa fra CO2 disciolta, ione bicarbonato e ione carbonato in funzione del pH:

Concentrazioni relative di CO2, ione bicarbonato e ione carbonato.Concentrazioni relative di CO2, ione bicarbonato e ione carbonato.

Ricordiamoci ora che la quasi totalità dello ione bicarbonato nella nostra acqua è stata introdotta sotto forma di sali di calcio e magnesio, non di acido carbonico poi dissociatosi (quello introdotto in questa forma è quasi irrilevante).

Inoltre, la concentrazione di ione bicarbonato è misurata dalla durezza carbonatica KH.
Come ci mostra il diagramma sopra, fino a pH 9 lo ione carbonato è presente in quantità minuscole rispetto allo ione bicarbonato.

Dunque abbiamo una relazione tra pH, KH e CO2 disciolta!

Possiamo adesso fare qualche passaggio matematico supplementare e riscrivere la formula come:

[CO2] = [HCO3-] × 10(pK1 - pH)

dove pK1 = -log10(Ka×Kh).

Convertendo [HCO3-] in KH, e usando la formula derivata dai ricercatori Harned & Davis per ottenere il valore di pK1 in funzione della temperatura (come descritto in questo articolo), otterremmo la formula usata nel nostro calcolatore di CO2.

Una rappresentazione grafica della relazione tra pH, KH e CO2 disciolta è visibile nel grafico seguente:

Relazione tra pH e CO2, per differenti valori di KHRelazione tra pH e CO2, per differenti valori di KH

Le quattro relazioni mostrano la quantità di CO2 per differenti valori di KH, calcolate alla temperatura di 25 °C.

La linea tratteggiata orizzontale mostra la quantità di CO2 disciolta nel caso di semplice equilibrio con l'atmosfera; le zone colorate mostrano gli intervalli la CO2 è scarsa per la flora (zona azzurra), ottimale (zona verde), eccessiva per la fauna (zona gialla) e mortale per la fauna (zona rossa).

In questo calcolo non abbiamo tenuto conto della dissociazione del bicarbonato in carbonato.
Tenendo conto anche di questo, otterremmo un valore della concentrazione di CO2 leggermente più basso della formula qui sopra, ma praticamente identico per un pH inferiore a 8,5.

Nel calcolo abbiamo operato un'ulteriore semplificazione: abbiamo cioè assunto che il bicarbonato sia dovuto solamente ai sali disciolti.
In realtà esiste una piccola componente dovuta alla dissociazione dell'acido carbonico prodotto dalla CO2.

Quindi anche con acqua «pura» la quantità di bicarbonato non è rigorosamente nulla, se è esposta all'aria.
E, giusto per curiosità, l'acqua pura in equilibrio con la CO2 atmosferica ha pH 5,6 e KH=0,014.

Attenzione, però!
Ricordiamoci che tutti questi numeri e formule sono valide solo nel caso in cui l'acqua contenga solo bicarbonati, carbonati e CO2, senza altri acidi o basi.
In acquario la situazione è molto più complicata a causa della presenza di decine di altre sostanze, che possono influire in modo più o meno marcato.