Skoro rozpuszczanie soli w wodzie za nami, pora wziąć się za gazy. Spełnione są tu wszystkie typowe reguły dla gazów, z których najważniejsze są dla nas dwie:
1. Rozpuszczalność gazu w wodzie (ogólniej cieczy) maleje ze wzrostem temperatury.
2. Rozpuszczalność gazu jest proporcjonalna do ciśnienia tego gazu nad powierzchnią cieczy (przynajmniej w zakresie niedużych ciśnień <1MPa).

Reguły te prowadzą do tzw. prawa Henry'ego: xi=H×pi, gdzie xi jest ułamkiem molowym gazu w cieczy (taka jednostka stężenia, określająca jaką część wszystkich cząsteczek w roztworze stanowią cząsteczki rozpuszczonego gazu), pi stężeniem cząstkowym gazu (czyli takim ciśnieniem, jakie wywierałby ten gaz będąc sam, bez innych gazów, jak powietrze) a H jest parametrem zwanym stałą Henry'ego. Ułamek molowy dla konkretnego przykładu (CO₂ w wodzie) może być zastąpiona innym stężeniem, np. ppm (oczywiście zmieni się wtedy stała H). Ciśnienie cząstkowe oblicza się mnożąc ciśnienie całkowite (zazwyczaj atmosferyczne) przez ułamek molowy gazu w powietrzu, albo prościej przez ułamek objętościowy (procent objętościowy). W warunkach typowych dla naszych rozważań można uznać interesujące nas gazy za idealne, a dla gazów idealnych te dwa ułamki są równe. Co innego ułamek (procent) wagowy, tu trzeba byłoby przeliczać wg mas molowych lub gęstości, dlatego trzeba zwracać uwagę, w jakich jednostkach podawane są stężenia. Na koniec stała Henry'ego - tu zawsze trzeba spojrzeć, w jakich jest jednostkach wyrażona, by zastosować odpowiednią jednostkę ciśnienia (Pa, hPa, kPa, MPa, atm, mmHg, bar, mbar itd.). No i jeszcze jedno, w tej stałej ukryta jest reguła 1. - po prostu wartość stałej Henry'ego zależy od temperatury - i tu też ważne jest sprawdzenie, jakiej temperatury dotyczą posiadane wartości. Przy okazji, stała Henry'ego maleje wraz ze wzrostem temperatury, co wyjaśnia zmniejszanie rozpuszczalności gazów w ciepłej wodzie.
No dobra, konkretnie:
Tlen, O₂. Każdy wie, że jest ważny i każdy wie co się dzieje gdy go brakuje, stąd ustawianie deszczowni, falowanie powierzchni, kaskady i często pozornie działające brzęczyki. Dlaczego pozornie? Załóżmy, że: mamy brzęczyk o wydajności 60L/h, przeciętna średnica pęcherzyka powietrza wynosi 2mm, głębokość zanurzenia kamienia wynosi 35cm. Objętość całego lecącego powietrza w akwarium wynosi w tych warunkach 6cm³, co zmierzyłem doświadczalnie (nalewając wodę do cylindra miarowego i mierząc przyrost objętości po włączeniu brzęczyka). Krótkie i proste obliczenia wykażą, że całkowita powierzchnia powietrza lecącego przez akwarium wynosi 180cm², podczas gdy powierzchnia tafli wody w akwarium 60L (50×30×40h) wynosi... 1500cm², czyli ponad 8 razy więcej. Oczywiście można zastosować kostkę lipową lub inną gęstą przegrodę. Przy pęcherzykach 0,3mm uzyskamy w tych samych warunkach już 1200cm², tyle tylko, że to już nie będą te same warunki, bo wydajność pompki spadnie na skutek większych oporów (jak znajdę u siebie kawałek lipy to sprawdzę o ile dokładnie). Można zatem dodatkowo zastosować mocniejszy brzęczyk i w końcu może uda się osiągnąć powierzchnię czynna napowietrzania brzęczykiem równą powierzchni tafli wody. Oczywiście obliczenie powyższe są szacunkowe i nie uwzględniają np. ciśnienia hydrostatycznego (na dole akwarium jest 3-4% wyższe ciśnienie w pęcherzyku niż atmosferyczne), współczynnika wnikania masy (tym większy, im większa prędkość płynów) itd. Tym niemniej warto zastanowić się, czy dodatkowe koszty (choćby nieduże) i dodatkowy hałas (w nocy już całkiem uciążliwy) są nam potrzebne. Chyba że chodzi o względy estetyczne - można sobie popatrzeć na bąbelki, podświetlić je, dołożyć zamek, księżniczkę, U-boota...
Wracając do meritum, z łatwością można obliczyć równowagowe stężenie tlenu w wodzie (czyli ile jest tlenu w stanie nasycenia), jeśli tylko znamy wartość stałej Henry'ego dla tlenu. Stężenie tlenu w powietrzu jest z dobrym przybliżeniem stałe i wynosi 20,95%v. Nawet w bardzo źle wentylowanych pomieszczeniach stężenie to nie spadnie raczej poniżej 20,7% (zaduch to nie brak tlenu lecz nadmiar CO2). Zatem wystarczy podstawić do równania wartość temperatury i ciśnienia atmosferycznego, by wiedzieć ile tlenu "zmieści się" w naszym akwarium. Poniżej zamieściłem tabelkę, która podaje przykładowe wartości równowagowego stężenia tlenu w wodzie (w mg/L) w różnych temperaturach i pod różnym ciśnieniem atmosferycznym.

Jeszcze jeden ważny wniosek płynie z prawa Henry'ego. Otóż nie tylko wzrost temperatury, ale także obniżenie ciśnienia wpływa na zmniejszenie zawartości tlenu w wodzie. Czy ktoś z Was o tym wcześniej pomyślał? Tabelki, które można znaleźć w internecie, zazwyczaj podają wartości jedynie dla ciśnienia 1 atmosfery (760 mmHg, 1013hPa), które to ciśnienie u nas bywa dość rzadko, chyba że na Pomorzu. Jeśli ktoś potrzebuje (lub jest po prostu ciekaw) wartości dla innych temperatur i ciśnień, może skorzystać z mojego kalkulatora.
Na koniec, jaki to ma związek z akwariami? Wartość stężenia równowagowego określa, jakie byłoby to stężenie, gdyby akwarium było układem stacjonarnym, w którym się nic nie zmienia. Jednak w rzeczywistości zachodzi w akwarium kilka procesów dynamicznych. Z jednej strony zachodzą reakcje zużywające tlen, jak oddychanie ryb i roślin, procesy rozkładu, z drugiej strony reakcja wytwarzająca tlen - fotosynteza. Oprócz tego, zależnie od aktualnego stężenia tlenu zachodzą procesy sorpcji lub desorpcji tlenu w wodzie, które dążą zawsze do uzyskania stężenia równowagowego. W rezultacie stężenie tlenu w wodzie może być mniejsze lub większe niż równowagowe, przy czym na ogół jest mniejsze, zwłaszcza jeśli akwarium jest przerybione. Jeśli w akwarium jest dużo roślin i obserwujemy „bąbelkowanie”, to niezawodny znak, że stężenie tlenu jest powyżej równowagowego. Choć tak naprawdę nie jest, bo nie może. Po prostu wokół pęcherzyka tlenu stężenie równowagowe jest prawie 5 razy większe niż przy powierzchni wody (bo stężenie tlenu w bąbelku wynosi ok. 98%). Nawet jednak w takim przypadku nie wolno zapominać, że w nocy roślinki przestają produkować tlen, ale wciąż go zużywają na oddychanie. Dlatego najmniejsze stężenie tlenu w akwarium jest nad ranem.

dr inż. Andrzej Radomski (SGGW)