お勉強その① PHとKHについて

今回のことで水質について本腰を入れて勉強しようと思いました。
今うちの水槽のPHが高いです。
以前から高かったですが、7.7くらいあります。
今はセラのスーパーピートを入れて対処していますが、理由も分からず、ただその場しのぎで・・というのも今後応用が利かないので困ります。
なのでお勉強をすることにしました。

今日は今PHが高いのでPHとKHについて色々調べてみました。
この2つは相関が同じです。
化学的に分析しています。
あとで自分が見返したときも使えるように詳しく、分かりやすく書きたいと思いました。
そして皆さんの参考になればとの思いも込めて。
化学反応式が理解できなくても、説明で補充していきますので、そのまま読み進めてください。

(PH)
水素イオン濃度のことです。
水はH2Oの状態ではなく
 H2O → 2H+ + OH- 

の形で電離しています。
このH+を水素イオンと言い、この濃度を水素イオン濃度(mol/l)といいます。
[H+](mol/l)と[OH-](mol/l)をかけると、必ず1.0×10-14(10のマイナス14乗)になりますが、
[H+](mol/l)が1.0×10-7になった状態がPH7で中性です。
 1.0×10-7以上がアルカリ性
 1.0×10-7以下が酸性
 
になります。
つまりOH-はほっておいて、H+の濃度だけでPHは決定しているわけです。


(KH)
これは本来水道水に含まれるCaCo3(炭酸カルシウム)やMgCo3(炭酸マグネシウム)が電離した結果のCa2+(カルシウムイオン)濃度やMg2+(マグネシウムイオン)濃度を意味するのですが、
Ca2+やMg2+は測定できない。
そこでそれらの化合物である
 Ca(HCO3)2 : 炭酸水素カルシウム
 Mg(HCO3)2 :炭酸水槽マグネシウム

CaとCo3は1:2対応、MgとCo3も1:2対応で規則的なので、測定可能なHCO3-(炭酸水素イオン)でKHの代用をしているわけです。つまりKHは炭酸水素イオン濃度ということです。

KHが高いとは→炭酸水素イオンが多い
KHが低いとは→炭酸水素イオンが少ない
 
ということになります。

そしてこの炭酸水素イオンの働きですが、緩衝作用があります。文字通り衝撃を和らげる効果です。
水の中に酸性になる元の物質であるH+と結合して、炭酸となり、酸性度を和らげてくれます。
炭酸は水と二酸化炭素に分解します。
 
 H+ + HCO3- → H2CO3 → H2O + CO2

この結果、H+は減少し、水質はアルカリ性に傾くわけです。
このHCO3-こそがKHの正体なんです。


つまり水道水にはマグネシウムイオンやカルシウムイオンが含まれ、それが炭酸イオンと結合して炭酸水素マグネシウムや炭酸水素カルシウムの状態で水換え時に水槽内へ流入するわけです。

それらの物質は塩基性(アルカリ性物質)ですから、水槽内に蓄積している硝酸(酸性物質)と中和して
硝酸カルシウムと水と二酸化炭素、硝酸マグネシウムと水と二酸化炭素に変化します。

2HNo3 + Ca(HCo3)2  → Ca(No3)2↓ + 2H2CO3

2HNO3 + Mg(HCo3)2 → Mg(No3)2↓ + 2H2CO3

上記は化学反応式ですが、イオン反応式で見ると
 H+ + HCo3-(炭酸水素イオン) ⇔ H2Co3(炭酸) → CO2 + H2O

になります。
この式が重要です。
式の左辺のH+ + HCO3-のH+が多い状態が酸性なんです。
反対にH+が少ない状態がアルカリ性(塩基性)ということになります。

つまり
H+が多い(PHが低い=酸性)=HCO3ーが少ない=KHが低い
H+が少ない(PHが高い=アルカリ性)=HCO3-が多い=KHが高い

つまり
PHが低い=KHが低い
PHが高い=KHが高い
とこのように比例関係にあるわけです。


そしてこの式は⇔からも分かるように、常に左に行ったり、右にいったりで揺れ動いています。
左辺のHCO3やH+の量によって、または右辺のCO2の量によって酸性に傾けたり、アルカリ性に傾けたり自在にできることになるわけです。
左に傾けば酸性、右に傾けばアルカリ性になります。
今の私の心境は左に傾けたいのです。

通常の水槽の中では、
水槽内にある硝酸(酸性物質)から電離したH+と、HCO3-が反応して
 H+ + HCo3-(炭酸水素イオン) ⇔ H2Co3(炭酸) → CO2 + H2O

が起こっているわけです。
水の中にからHCO3-を使い果たせば反応は平衡状態に達しますので、H+はそこそこ存在することになります。つまり酸性寄りに傾くわけです。

でも通常エアレーションしますよね。
こうなると水槽内に存在したCO2が抜けてしまって、CO2が減った分だけストップしていた平衡状態が右辺に向かって動くことになります。こうなると左辺のH+が減少し、水はアルカリ性に傾くわけです。
エアレーションは必要ですが、PHとKHを考えた場合はあまりありがたくないです。


では具体的に理由はどうであれ酸性かアルカリ性に傾いてしまった水槽の水を中性あたりに戻すにはどうすればいいかについて考えました。

(アルカリ性に偏る原因)
①水槽内の硝酸が少ない
 水換えのしすぎか、硝酸が少ないためにHCO3-と反応するH+が少ない。
 なのでH+が少なく、アルカリ性になる。
 HCO3-(KH)も高い値になる。

②バクテリアの働きが悪い
 バクテリアは酸化によってH+を放出していますが、バクテリアが少ないと
 その量が少なく、結果アルカリ性に傾く。
 でもうちの水槽の場合、アンモニア、亜硝酸共にゼロなのでこれは違うよう
 な気がしますが・・。


(酸性にしたい場合)
つまりPHを下げたい場合は、
KHを下げるにはこの反応を左向きに動かせばいいんです。
つまりCO2(またはH2CO3)を増やす、HCO3-を取り除くの2つになります。

(対策)
①CO2(またはH2CO3)を増やす方法
 これによってH+が増え、PHは下がります。
 でも問題はたとえ一時的にH+が増えたとしても、HCO3ーが存在する限り、
 増えたH+と反応してしまっていたちごっこです。
 一番いいのはCO2を増やすと同時にHCO3-を取り除くのがベスト
 だと思います。CO2を増やすにはCO2の添加でしょうが、魚によくありません。
 
②HCO3ーを取り除く方法
 HCO3-がH+(酸性の元)と反応することに問題があるので、他の相手と反応
 させればいいんです。
 その相手にはリン酸やカルシウムが挙げられます。
  ・リン酸から電離するH+と反応させる。
  ・カルシウムはアルカリ性物質なので、HCO3-(酸性)と中和させる。

 こうすることで式の左辺にあったH+は守られます。
 でも新たに問題が・・。
 ・リン酸と反応した結果、生じる塩(えん)が魚に害にならないかどうか。
 ・Ca(HCO3)2で沈殿するのはいいが、カルシウムはアルカリ土類金属
  なので、入れすぎた場合かえってアルカリに傾いてしまう。

ではどうすればいいのか・・・。
結果として、
 ①HCo3-(炭酸水素イオン)を含む水を入れない。
 ②安全なピート(酸性物質)を加えることで酸を溶け出させてゆっくりと下げる。
  このH+とHCO3-が反応してくれれば、H+の減少が抑えられ、PHが
  下がる。

難しく掘り下げて考えた割には結果は安易なところに落ち着きました。
今のところこれ以外で考えが浮かびません。
今日も必死に考えていきますが、化学的にはこういう仕組みだと解釈しています。

変だぞ!というところがありましたら、遠慮なく書き込みお願いします。
真実は1つですから、私が知りたいのは真実なんです。
皆さんのご意見はどうでしょうか?

by doppuri-ei | 2009-11-13 06:57 | その他

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