CO2 e carbonati – Elementi di chimica

L’effetto degli acidi sulle durezze

Chi ha un acquario con allestimento amazzonico ha probabilmente usato della torba per acidificare l’acqua; e avrà notato (o sentito dire) che, oltre ad abbassare il pH, questa può abbassare le durezze.

Altri preferiscono, per abbassare il pH, estratti di corteccia o di foglie di quercia, o addirittura acidi forti come l’acido cloridrico; anche in questo caso si ha un abbassamento del KH.

Come è possibile?

Dopo quello che avete letto fin qui… è semplice: si tratta di un altro effetto degli equilibri che abbiamo studiato nei capitoli precedenti.

Ma vediamo nel dettaglio.

Innanzitutto tutti questi prodotti (torba, estratti, o i pH minus commerciali) rilasciano (o sono costituiti di) acidi, siano essi forti o deboli.
Quando li inseriamo in acqua, in quanto acidi, si dissociano rilasciando ioni H⁺.

Il sistema delle reazioni

CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃ ↔ H⁺ + HCO₃^–

cercherà di ritornare all’equilibrio.
Gli ioni HCO₃^– si combineranno con gli ioni H⁺ in surplus, generando acido carbonico e, di conseguenza, CO₂ disciolta.

La quantità di CO₂ disciolta è, però, data dall’equilibrio degli scambi gassosi, ovvero dallo scambio con l’aria, dalla respirazione di piante e fauna, e (se presente) dal diffusore di CO₂ del nostro acquario.

Questa CO₂ prodotta dall’eccesso di ioni H⁺ non può far altro che lasciare il sistema, disperdendosi nell’aria.
Alla fine di questo gioco, parte del bicarbonato è volato via, abbassando la durezza carbonatica.

Attenzione, però: la durezza carbonatica scende, ma la durezza totale resta invariata!
Stiamo distruggendo ioni bicarbonato; gli ioni calcio o magnesio, invece, restano in acqua invariati.

Il processo di trasformazione dei carbonati/bicarbonati in CO₂, per mezzo di un acido, è anche utilizzato in un prodotto che andava di moda tanti anni fa: l’idrolitina!

L’idrolitina non è altro che una miscela di bicarbonato di sodio, acido malico e acido tartarico. Una volta sciolta in acqua, il bicarbonato di sodio si dissocia in bicarbonato e ione sodio; nello stesso tempo gli acidi si dissociano liberando ioni H⁺.
Come abbiamo visto studiando l’effetto tampone, il bicarbonato andrà a ricombinarsi con questi ioni H⁺, generando acido carbonico; che, a sua volta, si scinderà rilasciando CO₂ e rendendo l’acqua effervescente.

Torniamo alla nostra acqua dell’acquario, alla quale abbiamo aggiunto un acido.
Come cambiano il pH e la durezza carbonatica?

Avvertiamo chi si volesse cimentare con i calcoli: è un procedimento piuttosto complicato che necessita la risoluzione di una equazione di terzo grado!

Noi lasciamo stare la matematica e andiamo al risultato.

La figura qui sopra ci mostra l’andamento del pH in un’acqua alla quale aggiungiamo dell’acido forte, in funzione della quantità di acido.
Le varie curve mostrano l’andamento per quattro differenti valori di durezza dell’acqua (i quattro colori diversi), e due valori di concentrazione di CO₂ :

• linea intera: CO₂ in equilibrio con l’atmosfera;
• linea tratteggiata: CO₂ a 100mg/L.

Possiamo notare che il pH scende all’inizio lentamente per poi, ad un certo punto, crollare molto velocemente.
Notiamo anche che il punto a cui viene il crollo del pH è proporzionale alla durezza dell’acqua.

Chi è più ferrato in chimica avrà già riconosciuto queste curve: non sono altro che curve di titolazione, alla base della misura della alcalinità e dei test per misurare il KH a viraggio di colore.

La boccetta dei test del KH, infatti, contiene una soluzione di acido forte (come l’acido cloridrico) ed un indicatore, ovvero una sostanza che cambia colore a seconda del pH.
Come indicatore si usa solitamente il bromocresolo verde, che cambia dal blu al giallo a pH 4,5.

Tornando all’acquario: come varia il KH dopo l’aggiunta di una certa quantità di acido forte?

La risposta la troviamo in questo grafico:

La durezza carbonatica scende man mano che aggiungiamo acido, in modo proporzionale alla quantità di acido aggiunta.
Per ogni millimole di acido forte aggiunto, il KH scende di 2,8 gradi.

Ma la CO₂, visto che acidifica l’acqua, abbassa la durezza KH?

Se avete seguito fin qui, sapete che la risposta è no: se aggiungiamo CO₂, questa produce acido carbonico che si dissocia in ioni H⁺ e ioni bicarbonato.
Quindi, al massimo, la durezza carbonatica aumenta.

Eppure, in rete, capita che qualcuno affermi il contrario!

Probabilmente questa idea deriva dal seguente grafico:

Abbassando il pH, sembra che tutto il carbonio si trasformi in CO₂!
L’equivoco nasce dal fatto che le concentrazioni nella figura qui sopra sono in percentuale, e non in valore assoluto!
Quindi, quando inseriamo tanta CO₂ e abbassiamo il pH sotto il 6, il carbonio è soprattutto sotto forma di CO₂ perché questa è tanta, non perché i bicarbonati diminuiscono.

Chiudiamo questo capitolo spendendo qualche parola in più sulla torba.

La torba

La torba acidifica l’acqua con due meccanismi:

1. innanzitutto rilascia acidi deboli (tannini, acidi umici, acidi fulvici, eccetera);
2. in secondo luogo, agisce come scambiatore ionico.

Infatti la torba, un po’ come certe resine ioniche o i fondi allofani, rilascia ioni H⁺ ed assorbe ioni calcio e magnesio.

Quindi, oltre ad abbassare il pH e il KH, la torba abbassa anche la durezza totale, ovvero il GH.