Vízkémia

A vízkeménység két okból is érdekes lehet egy akvaristának: egyrészt hogy a megfelelő környezetet biztosítsuk a halak számára, másrészt segít stabilizálni a pH-t az akváriumban. Kétfajta vízkeménységet különböztetünk meg: állandó (general hardness, GH) és karbonát (carbonate hardness, KH) keménységet. Van egy harmadik kifejezés is, ez a teljes keménység, ami az állandó és a karbonát keménység kombinációja. Mivel egy akváriumnál az állandó és karbonát keménységet is szükséges mérni, az teljes keménység félrevezető lehet és ezért elhagyható.

Állandó keménység
Az állandó keménységet elsősorban a kalcium (Ca²⁺) és magnézium (Mg²⁺ ) ionok mennyisége adja meg. Más ionok is befolyásolják az állandó keménységet, de ezek hatása jelentéktelen és a mérésük sem egyszerű feladat. Az állandó keménység direkt módon nem befolyásolja a pH-t, bár a kemény vízet általában lúgosnak mondjuk, köszönhetően az állandó és karbonát keménység közötti kölcsönhatásoknak.

Az állandó keménységet kifejezhetjük a kalcium-karbonát (CaCO₃) milligramm/liter értékével, német keménységi fokkal (nk^o) vagy sokkal helyesebben a CaCO₃ moláris koncentrációjával. (A német keménységi fok kalcium-oxidra és nem kalcium-karbonátra vonatkozik) Egy német keménységi fok (nk^o) 10 milligramm kalcium-oxid (CaO) jelenlétére utal literenként. Az Egyesült Államokban a keménységet rendszerint a CaCO₃ mg/liter értékével adják meg. Egy nk^o egyenlő 17.8 mg/liter CaCO₃-al. Újabban a keménységet milliekvivalens/literben adják meg. 1 milliekvivalens/liter moláris koncentráció (mEq/l) = 2.8 nk^o = 50 mg/liter CaCO₃. Az akvarisztikában a következő vízkeménységre vonatkozó csoportokat használjuk:

0-4 nk^o, 0-70 mg/l = nagyon lágy
4-8 nk^o, 70-140 mg/l = lágy
8-12 nk^o, 140-210 mg/l = közepesen kemény
12-18 nk^o, 210-320 mg/l = kemény
18-30 nk^o, 320-530 mg/l = nagyon kemény
ezeknél magasabb értékek különösen kemény vizre utalnak (Malawi tó és Los Angeles, CA)

Az állandó keménység a biológiai folyamatok szempontjából sokkal fontosabb, mint a karbonát keménység. Ha valahol azt látjuk, hogy egy hal vagy növény a "kemény" vagy "lágy" vizet szereti, azt rendszerint az állandó keménységre értik. A helytelen állandó keménység érték befolyásolja a tápanyag forgalmat, a sejthártyán keresztül anyagok távozhatnak el és hatással lehet a peték termékenységére valamint belső szervek (pl. a vesék) megfelelő működésére. Bizonyos határok között azonban a legtöbb hal és növény alkalmazkodni tud az adott vízkeménységhez, bár szaporodásuk ekkor kétséges.

Karbonát keménység

A karbonát keménységet a vízben lévő bikarbonát (HCO₃^-) és karbonát (CO₃⁺) ionok mennyisége adja meg. A semleges kémhatású édesvízben a bikarbonát ionok dominálnak, míg a sósvízben a karbonát ionoké a főszerep. A kémhatás tulajdonképpen a teljes savmegkötő képesség mértéke (minden anion, amely a szabad H⁺ ionokat képes megkötni), de az édesvízi rendszerekben leginkább a karbonát keménységgel fejezzük ki. Ennélfogva az édesvizek gyakorlati kezelése kapcsán az olyan kifejezéseket, mint karbonát keménység, savmegkötő képesség, sav pufferoló kapacítás és kémhatás egymás szinonimájaként használják. Az akváriumban a karbonát keménység kémiai pufferként működik, segít stabilizálni a pH-t. A karbonát keménységet, akárcsak az állandó keménységet keménységi fokkal vagy a CaCO₃ mennyiségével adjuk meg.
Egyszerűen kifejezve a pH-t a vízben lévő szabad hidrogén ionok (H⁺) koncentrációjának negatív logaritmusával határozzuk meg. Ha valamilyen erős savat, pl. salétromsavat adunk a vízhez, az teljesen szétválik hidrogén ionokra (H⁺ ) és nitrátra (NO₃^-). A reakcióban hidrogén ionok szabadulnak fel, ezzel megnő ezek koncentrációja, ez lenyomja a pH-t. Mivel a nitrogén-körforgás legutolsó eleme a salétromsav, ez megmagyarázza, hogy az akvárium pH-ja az idők során miért csökken és a nitrátok koncentrációja miért növekeszik.

Ha az akvárium rendelkezik "karbonát puffer" kapacítással, a bikarbonát ionok egyesülnek a felesleg hidrogén ionokkal, így szénsav (H₂CO₃) keletkezik, ami lassacskán szén-dioxidra (CO₂) és vízre bomlik. Mivel a reakcióban a hidrogén ionok is rész vesznek a pH nem változik jelentősen. Idővel, ahogy egyre több karbonát ion használódik el (egyesül szabad hidrogén ionokkal) a puffer kapacítás csökken és a pH egyre nagyobb mértékben változik. Ebből világosan kitűnik, hogy az akvárium alacsony karbonát keménység mellett miért nem túl stabil - mivel a sav biológiai folyamatok eredményeként keletkezik, a karbonát keménység egyszerűen "elhasználódik". Ekkor a pH jelentős mértékben csökkenhet a szabad hidrogén ionok felhalmozódása következtében.

A keménység szabályozása édesvízben

Ha a csapvíz túl kemény halaink vagy növényeink számára, lágyíthatjuk azt. Erre számos módszer kínálkozik, persze vannak olyanok, amelyek akvarisztikai szempontból előnyösebbek. A legjobb (és egyben legdrágább) módszer, ha fordított ozmózis (reverse osmosis, RO) készüléket használunk és az így kapott 0 állandó keménységű vizet csapvízzel keverjük, amíg el nem érjük a kívánt keménységi szintet. Dél-Amerikai sügéres medencéknél használhatunk tőzegtelepet is, ez lágyítja és kondicionálja, de egy kicsit barnítja is a vizet. A vizet tőzegen is át lehet szűrni, de előtte a tőzeget fel kell forralni, hogy a benne lévő nem kívánatos élőlények elpusztuljanak.

A kereskedelemben kapható háztartási vízlágyítók nem alkalmazhatók, mivel ezek rendszerint ioncserével oldják meg a lágyítást: nátrium ionokkal helyettesítik a kalcium és magnézium ionokat, a nátrium többlet pedig nem kívánatos a medencében. Egy másik rossz gyakorlat a kation cserélő műgyanták alkalmazása.
Ha az állandó keménység túl alacsony akkor kalcium-szulfát és/vagy magnézium-szulfát segítségével emelhetünk rajta. A szulfátokat (SO_4^2-) óvatosan adagoljuk a vízhez. Kalcium-karbonát is használható, de ez a karbonát keménységet is megemeli (ez azon kisszámú szerencsések módszere, akiknek eredendően lágy vizük van). A fentiek kombinációja is használható a kívánt keménység elérése érdekében.
A karbonát keménységet tőzegen át való szűréssel vagy a víz forralásával lehet megszüntetni (a vizet hagyjuk lehülni az akváriumba adagolás előtt).
A karbonát keménység legegyszerűbben nátrium-bikarbonát hozzáadással növelhető. A kalcium-karbonát az állandó és karbonát keménységet egyenlő arányban növeli.
Egy teáskanál (kb.6 gramm) nátrium-bikarbonát (NaHCO₃) 50 liter vízhez adagolva 4 fokkal emeli meg a víz karbonát keménységét, de az állandó keménységet nem módosítja. Két teáskanál (kb. 4 gramm) kalcium-karbonát (CaCO₃) ugyanennyi vízben a karbonát és állandó keménységet is megemeli 4 fokkal. Azért, hogy megtaláljuk a megfelelő karbonát/állandó keménység egyensúlyt a két anyagot eltérő arányban kell felhasználnunk. Mivel otthon meglehetősen körülményes a száraz vegyszerek pontos mérése, sokat segíthetnek a kereskedelemben kapható vízkeménység tesztek.
A bikarbonát pufferelés hatásosan működik 1:100 és 100:1 arányok között. Ezzel a pH 4.37 és 8.37 között változik, nem véletlen tehát, hogy a legtöbb vizi életforma számára ezen határok között van az optimális pH. Ha bikarbonát ionokat adunk a vízhez (pl. nátrium-bikarbonát vagy kalcium-bikarbonát formájában), a bázis aránya a savhoz képest valamint a pH is növekszik. A pH változásának mértéke függ attól is, hogy milyen az eredeti pH. Egy 6.37 pH kémhatású víz módosításához több bikarbonát szükséges, mint pl. egy 7.50 pH-s vízhez.
A vízben lévő szén-dioxid a karbonát keménység emelésekor a növekedésnek induló pH-t visszafogja. Szerencsére a CO₂ szintén a nitrifikáció egyik végterméke amely a halak és növények anyagcseréje következtében állandóan jelen van. A szén-dioxid kis mennyiségben szénsavat (H₂CO₃) és bikarbonátokat alkot, ez a pH csökkenéséhez vezet. Ez a mechanizmus lehetővé teszi a pH csökkentését az akváriumban.
Ha a "karbonát puffer" az, ami elsődlegesen meghatározza a pH értékét az akváriumban, akkor a pH, a karbonát keménység és a CO₂ között szoros összefüggés van. Ekkor mind a karbonát keménység, mind a CO₂ segítségével beállítható a kívánt pH érték. Az automatikus szén-dioxid adagoló berendezések is ezen az elven működnek: figyelik a pH változását és ha az elért egy meghatározott pontot, CO₂ adagolással csökkentenek rajta. Ebben az esetben a karbonát keménység nem változik. Mivel a CO₂-t egyrészt felhasználják a növények, másrészt kiszökik a levegőbe ezért a pH növekedni fog. A szabályozó ki és bekapcsolja a CO₂ adagolást, hogy a pH-t egy fix ponton tartsa.
Egy közepesen betelepített akváriumban az oldott CO₂ mennyisége 2-3 mg/l. Egy jól beültetett akváriumban az ideális értékek: pH = 6.9, karbonát keménység = 4, CO₂ = 15.  

A pH

A víz pH értéke a természetes reakciót jellemzi, vagyis hogy a víz savanyú, semleges (naturális) vagy lúgos kémhatású-e. Az akvarisztikában a pH-értéknek néhány trópusi vízinövény és halfaj tartásában és tenyésztésében van jelentősége. A pH-érték azonban önmagában még nem sokat mond, mert más tényezőkkel, főleg a vízkeménységgel együtt kell megítélni. A pH-érték sem az akváriumban, sem a természetben nem állandó, az időjárás, a vízbe beleömlő más vizek, a talajba beágyazódott anyagok, főként azonban a szénsavtartalom (CO₂) és a vízinövényeknek ezt befolyásoló asszimilációja (biogén mésztelenedés és meszesedés) hatására állandóan ingadozik. Az ingadozás annál erősebb, minél kisebb a vízben oldott kalcium- és magnéziumvegyületek mennyisége; mert ezek képesek erős savak és lúgok kiegyenlítésére, főként azonban a szénsavingadozások megakadályozására, a "pufferolásra". Minthogy a kalcium- és magnéziumsóknak döntő szerepük van a vízkeménység befolyásolásában, ez azt jelenti, hogy a pH-érték és a keménység két olyan tényező, amelyek szoros kapcsolatban állnak egymással. A víz természetes reakcióképességét a benne levő

a) szabad negatív hidroxidionok (OH^-) és

b) szabad pozitív hidrogénionok (H⁺) határozzák meg.

Az egy liter, 20 C° hőmérsékletű vízben levő hidrogénionok (H⁺) arányát 1-14 közti számértékkel adják meg. A negatív hidroxidionok (OH^-) meg nem adott súlya fordított irányba változik. Semleges vízben - amikor tehát a pH=7,00 - a hidroxid- és hidrogénionok egyensúlyban vannak.

Ekkor mindkettőjük súlya 0,0000001 gramm, vagyis az 1-est hét 0 előzi meg, röviden 10^-7 gramm. Tudományosan megfogalmazva, a pH jelenti: A hidrogénion-koncentráció negatív előjellel vett 10-es alapú logaritmusát. Képlettel: -lg H⁺

A pH-értéket 1-14 közti számértékkel adjuk meg, az egyszerűség kedvéért csak a kitevő abszolút értékét közölve. pH=7,00 a semleges pontot jelenti, az 1,00-6,99 közti értékek savanyú, a 7,01-14,00 köztiek lúgos reakciót jelentenek. Minthogy a pH-értékek közti különbség valójában kitevők közti különbség, így kis változások is nagy hatással lehetnek a vízi élőlényekre. Ha a pH-érték a savanyú rekciójú részen 1 egységgel csökken, ez a savtartalom megtizszereződését jelenti. A mérsékelt égövi, valamint a trópusi és szubtrópusi vízviszinyok különböznek egymástól. Ezek a speciális viszonyok okozzák, hogy a mérsékelt égövben a pH-érték a karbonátok kiegyenlitő hatása következtében sokkal egyenletesebben marad a semleges pont közelében, mint a trópusokon. Ennek megfelelően a hazai állatok többnyire semleges vagy lúgos pH-értékekhez, a trópusiak nagy része azonban ingadozó pH-értékekhez alkalmazkodott, amelyek gyakran átcsapnak a savanyú reakció irányába. A trópusi vizekben a 6,50-4,50 közti pH-értékek nem ritkák. Egyes trópusi díszhalak tenyésztői ezért azon igyekeznek, hogy a tenyéaztőakvárium vize enyhén savanyú legyen, pl. pH=6,50 környékén, néha ennél kisebbel is dolgoznak. Ennek előfeltétele a kis karbonátkeménységű víz használata. A vízlágyításnak tehát ebben a tekintetben is döntő jelentősége van. A víznek sósavval, kénsavval és foszforsavval való savanyítása lehetséges, de egy kissé körülményes. A legjobb a foszforsavas savanyítás: 10 liter vízben oldjunk fel 0,1 gramm foszforsavat, és az oldatból adjunk annyit a vízhez, hogy elérjük a kívánt pH-értéket. A víznek kezelés után néhány napot állnia kell, csak azután szabad felhasználni. Biztonsági okból az ilyen vizet mindig az akváriumba való betöltés előtt kell elkészíteni, az akváriumban magában sohasem. Ajánlható tőzeg alkalmazása, természetesen mindig nagyon lágy víz használatát feltételezve. A tőzegnek az az előnye, hogy a karbonátkeménység elkerülhetetlen növekedésének (talaj, eleség!) hatékonyan ellene dolgozik. A tőzeg savassági állapotát ellenőrizni kell (a legjobb ún. fellápi fehér tőzeget, kertészeti tőzeget használni, tápsók hozzáadása nélkül). Ezt úgy tehetjük meg, hogy kisebb mennyiséget desztillált vízbe áztatunk, s több órai áztatás után megmérjük a pH-értéket. A tőzeg csak akkor használható, ha a pH-érték nem nagyobb 4,00-nél. Tenyésztési kudarc esetén hiba lenne az okot csupán a víz kémiai öaszetételében keresni, mert egy sereg más tényező is nagy szerepet játszhat ebben. Ilyenek: a párok helytelen kiválasztása, bizonyos ikrázási és kíméleti időszakok be nem tartása, változatos etetés stb. Az utóbbi esztendők tapasztalatai azt mutatják, hogy a pH-értéknek az állatokra és növényekre gyakorolt hatása még koránt sincs tisztázva. A pH-érték mérése az akvarisztikában olcsó és könnyen kezelhető eszközökkel végezhető. Ilyen eszközök a színes indikátorok. Az indikátorpapírok - különösen szakszerűtlen kezelés esetén - nem adnak elég pontos értéket, ezért ezek használatát nem javasolhatjuk. Az indikátorfolyadékok már jobbak. Olyan oldatból, amely meghatározott pH-értéken jól észrevehetően megváltoztatja a színét, néhány cseppet hitelesített kémcsőbe teszünk, a mérendő folyadékkal a hitelesítőt félig megtöltjük, összerázzuk, s cseppfolyós vagy nyomtatott színskálával összehasonlítjuk.