W zasadzie to uzupełnienie do poprzedniego rozdziału. Na dołączonych wykresach przedstawiłem zależność pH roztworu od proporcji rozpuszczonego w nim kwasu i jego soli. Wykresy są dokładne i uwzględniają wspominane już współczynniki aktywności jonów, można zatem wykorzystywać je do kalibracji. Wszystko dotyczy temperatury 25°C.

Na pierwszym wykresie porównana jest zależność dla mocnego kwasu solnego i słabego octowego. Dla kwasu mocnego nawet minimalna ilość wolnego kwasu powoduje dramatyczny spadek pH i dlatego do zakwaszania wody nie powinni go używać akwaryści bez doświadczenia (chyba że zastosują się do moich wskazówek, które zebrane są tu iorę razem i też tu dołączę). Kwas octowy powoduje znacznie łagodniejsze zmiany pH, które ponadto zatrzymują się na dłużej w przedziale 5,5-4,0 (to jest tzw. zakres buforowania). Dopiero nadmiar mocnego kwasu może spowodować dalszy silny spadek pH. Tak przy okazji warto zauważyć, że mocne kwasy też posiadają zdolność buforującą, tylko zakres pH jest inny (poniżej 2,5).

Kolejny wykres przedstawia zależność pH od składu roztworu kwasu fosforowego i jego soli. Jest to układ ważny, bo wykorzystywany w handlowych preparatach do zakwaszania wody. Kwas fosforowy jest trójprotonowy, więc może tworzyć trzy różne sole, odpowiadające trzem kolejnym stopniom dysocjacji kwasu. Mieszaniny tych soli mogą tworzyć tak samo układy buforowe, choć nieco bardziej złożone. Mamy bowiem trzy możliwe równowagi, z których każda jest odpowiedzialna za zdolność buforującą w innym zakresie pH. Czysta sól nie posiada takiej zdolności buforowej, stąd na wykresie występują też skoki pH. Pierwszy odpowiada czystej soli Na₂HPO₄, drugi czystej NaH₂PO₄; pomiędzy nimi mamy obszary buforowane. Dla akwarysty istotne będą dwa wnioski. Po pierwsze, użycie kwasu fosforowego nie stanowi tak naprawdę zabezpieczenia przed gwałtownym spadkiem pH. Po przekroczeniu pH=6 bardzo łatwo jest niechcący osiągnąć poziom pH 3-4. Jedyną zaletą jest wolniejszy spadek pH w zakresie 7,5-6, ale to zapewnia nam w znacznej mierze już sama woda z obecnymi w niej wodorowęglanami. Inaczej jest w przypadku zastosowania soli monosodowej (NaH₂PO₄). Tu mamy duży margines bezpieczeństwa (czysta sól to pH ok. 4,5) i gwarancję, że trzeba zużyć dużą jej ilość do wywołania pożądanego efektu obniżenia pH. Tak czy inaczej, na pewno uda nam się wprowadzić fosforany w ilości od kilkunastu do kilkudziesięciu (sic!) mg/L. Jak ktoś lubi, może stosować. Ja dziękuję.

Ostatni wykres przedstawia te same zależności dla rzadziej spotykanych kwasów. Na początek kwas szczawiowy. Na wykresie widać, że to kwas dwuprotonowy, choć skok dla soli jest mniejszy niż poprzednio. To typowe dla kwasów organicznych. W kwasach nieorganicznych (H₃PO₄, H₂SO₃, H₃AsO₄ itd.) jest zazwyczaj jedno centrum kwasowe i różnica pK_a między kolejnymi stopniami dysocjacji wynosi ok. 5. W kwasach organicznych centra kwasowe są rozdzielone i różnica pKa dla kolejnych stopni dysocjacji znacznie maleje. Dla kwasu szczawiowego pK_a1=1,25 a pK_a2=4,23. Dla kolejnego kwasu, winowego, różnica jest na tyle mała (pK_a1=3,0 a pK_a2=4,4), że w ogóle nie widać przejścia przez wodorowinian. Najciekawszym z przedstawionych kwasów jest kwas cytrynowy - trójprotonowy. Jest jedynym łatwo dostępnym kwasem, który tworzy układ buforujący już przy pH=6, czyli nakłada się częściowo zakres buforowania wodorowęglanów (garbniki i kwasy humusowe zachowują się jeszcze inaczej, ale to odrębny temat, który rozwinę za jakiś czas). Do tego jest jedną z najbardziej rozpowszechnionych substancji w przyrodzie ożywionej, nie jest toksyczny w stężeniach nawet ponad 100mg/L i ulega biodegradacji (to ostatnie to akurat wada w akwarium).
Jak kiedyś będę robił wodę o pH poniżej 6, z pewnością zastosuję kwas cytrynowy.
Pozostaje jeszcze do omówienia kwas węglowy i jego sole, ale to trochę bardziej skomplikowane. Wszystko przez dwutlenek węgla, który nie chce spokojnie siedzieć w wodzie, tylko z niej ucieka. Dlatego trzeba go odłożyć na osobny temat.

dr inż. Andrzej Radomski (SGGW)