IV.

ALKALITA

Co je to?
Alkalita neboli kyselinová neutralizační kapacita (KNK) je vlastně mírou stability pH. Hovoří se o ní také jako o pufrační kapacitě vody (pufračním systémům je věnována poznámka na konci tohoto článku). Jak název „kyselinová neutralizační kapacita“ napovídá, čím větší je tento parametr, tím větší má voda (a látky v ní rozpuštěné) schopnost neutralizovat kyselinu, kterou do vody případně přidáme. Jednoduše řečeno, ve vodě bez této neutralizační schopnosti by každý uvolněný kationt H⁺ způsobil patřičný pokles pH; ve vodě s dostatečnou alkalitou je pak nárůst H⁺ kompenzován neutralizačními reakcemi a pH zůstává neměnné. Až tehdy, když je KNK vyčerpána, může přidání kyseliny způsobit pokles pH – to je třeba zohlednit při snaze upravit pH akvarijní vody směrem dolů. Voda s vysokou alkalitou bude mít vždy tendenci vracet se k původnímu vyššímu pH, i když přidáme větší množství „okyselovačů“. Příklad takové reakce po přidání kyseliny chlorovodíkové, která je neutralizována hydrogenuhličitanem:
                 HCl = H⁺ + Cl^- (kyselina ve vodě disociuje; přitom dojde k poklesu pH)
                 H⁺ + HCO₃^- = H₂CO₃ (pH se vrací na původní úroveň, ale alkalita se snižuje!)
Většinu alkality v přirozených vodách způsobují hydrogenuhličitany – proto se zcela běžně (ale i přesto chybně) v akvaristice zaměňují pojmy „uhličitanová tvrdost“ a alkalita. Ve skutečnosti mohou být ve vodě přítomny hydrogenuhličitany i uhličitany, které nezpůsobují tvrdost (vznikly rozpuštěním např. uhličitanu sodného). V akvarijní vodě se mohou na alkalitě významně podílet i další látky, zejména fosforečnany a sírany, případně další alkalicky reagující látky. Někdy bývá zdrojová voda bohatá i na křemičitany. Uhličitany, které rovněž způsobují alkalitu, se ve vodě vyskytují až při pH > 8,3.

Alkalita se v západní Evropě udává podobně jako tvrdost nejčastěji v německých stupních (dKH = deutsche Karbonathärte), nověji občas i v miliekvivalentech, resp. v milivalech (1 dKH = 0,357 mval/l nebo meq/l); v USA se kromě německých stupňů používají i jednotky ppm CaCO₃ (obdobně jako u tvrdosti, 1 dKH = 17,86 ppm CaCO₃).
Více o jednotkách a o zmatku kolem používaných pojmů najdete v sekci TVRDOST.

Význam:
Proč je alkalita důležitá, i když do vody nic nehodláme dávat? Protože jako kyselina působí i  odpadní produkty metabolismu ryb a dalších živočichů – tak jak dochází v uzavřeném prostoru akvária k nárůstu množství dusíkatých látek, docházelo by bez pufrační schopnosti některých látek k velkým změnám pH i se všemi nepříznivými důsledky. V málo zarostlých akváriích s nízkou alkalitou dochází při zanedbání výměny vody k většímu poklesu pH, který může být rybám nebezpečný.
Chceme-li si být jisti, že nehrozí nenadálé výkyvy pH, musíme udržovat v akváriu alespoň mírnou alkalitu (> 4 dKH). Tam, kde je žádoucí použít vodu s minimem hydrogenuhličitanů (např. třecí vody s alkalitou 0-2 dKH), musíme pH průběžně hlídat a provádět častější výměny vody, aby se nestačily nahromadit dusíkaté látky.
Naopak příliš vysoká alkalita je na překážku tam, kde se snažíme upravit pH směrem dolů. I když se pH sníží, když přidáme kyselinu (nebo komerčně vyráběný produkt), během několika hodin či dnů proběhnou ve vodě neutralizační reakce a pH se zase vrátí zpět. Jedinou možnou cestou je snížit nejprve alkalitu a pak teprve upravovat pH.
Vysoká alkalita má i další negativní důsledek – je totiž spojená s vyšším pH. Velmi alkalická voda může mít pH, které už nevyhovuje rybám, natož rostlinám (uhlík je vázaný v hydrogenuhličitanech a není dostupný jako volný CO₂). Alkalická voda může být i velmi měkká, ale nemůže být kyselá. Naopak velmi tvrdá voda může mít jen minimální alkalitu, a tedy nestabilní pH. Zpravidla však platí (u zdrojové vody, ne v akváriu!), že tvrdost vody způsobují uhličitany (a naopak, že hydrogenuhličitany přítomné ve vodě pocházejí z CaCO₃ a MgCO₃) - proto existuje přímá závislost mezi tvrdostí a alkalitou.
Důsledkem vzájemné závislosti vztahu alkality, pH a CO₂ je fakt, že není možné připravit si „ideální“ akvarijní vodu – měkkou a mírně kyselou s dostatkem CO₂ – a potom pH zafixovat přidáním dostatečného množství alkalicky reagujících látek. Čím větší jistotu stabilního pH požadujeme, tím vyšší toto pH musí být a tím menší množství volného CO₂ voda obsahuje.

Měření:
Alkalitu měříme pomocí testů označených UT, KH, KNK... Vzhledem k nesprávnému používání výrazů v akvaristických prodejnách zatím neuspějete, pokud se budete ptát po testu alkality. Hledejte tedy testy „uhličitanové tvrdosti“.
Testování je velmi jednoduché, provádíme titraci až do bodu přechodu (obvykle se měří až do pH 4,5 - tedy tzv. KNK 4,5) a sledujeme spotřebu reakčního činidla. V praxi to vypadá tak, že do odebraného vzorku vody přidáváme reakční činidlo (nejčastěji HCl) a počítáme kapky do změny zabarvení (barevný přechod se liší podle toho, jaký indikátor výrobce zvolil). Počet kapek pak většinou přímo odpovídá alkalitě v německých stupních (dKH), příp. se dělí dvěma.
Výsledky testu se někdy vyhodnocují podobně jako tvrdost - tedy jako voda měkká, středně tvrdá, tvrdá - přičemž máme na mysli "uhličitanovou tvrdost". Takové hodnocení je ale evidentně zcestné - postačí nám většinou vědět, máme-li vodu dobře nebo špatně pufrovanou. Alkalita by v běžné, zarybněné nádrži neměla být nižší než 4 dKH, pro vodu do třecích nádržích můžeme požadovat ještě menší hodnoty. Horní hranici není lehké vymezit; v rostlinném akváriu by alkalita neměla raději překračovat 10 dKH, v "kamenolomu" pro africké cichlidy je naopak vysoká alkalita obzvláště potřebná k neutralizaci dusíkatých látek a udržování vysokého pH.

Úprava:
Musím (znovu) připomenout, že pouštět se do úpravy chemismu vody se vyplatí až tehdy, pokud opravdu víte, co děláte. Alkalita sama o sobě přímo ovlivňuje živé organismy jen nepatrně (s vyjímkou např. jiker a larev, které mohou být na obsah hydrogenuhličitanů citlivé). V běžné praxi je proto daleko vhodnější přizpůsobit výběr chovaných ryb naší vodě, než se naopak pouštět do chemických pokusů.
Chceme-li opravdu měnit parametry vody, pak se alkalita stává klíčovým faktorem.

Snižování alkality není snadné, už proto, že uhličitanový systém je otevřený a nemůžeme ho přesně kontrolovat (CO₂ se rozpouští ze vzduchu, nebo do něj uniká). Máme-li však na paměti vztah pH/alkalita/CO₂, najdeme řešení:
1) ideálně použitím vody, která žádnou alkalitu nemá (nebo jen minimální) – tj. voda destilovaná nebo demineralizovaná. Takovou vodu samozřejmě nepoužíváme přímo, ale ředíme jí s vodovodní vodou (příp. s minerálkou nebo s jinou zdrojovou vodou, která je alkalická).
2) přidáváním CO₂ posouváme rovnováhu uhličitanového systému směrem k nižším hodnotám pH, kdy se uhlík vysktuje ve formě volného CO₂ a ubývá uhlíku vázaného ve formě hydrogenuhličitanů
3) snížením pH jakýmkoliv způsobem – k tomu, aby se nám to povedlo, je třeba vyčerpat pufrační schopnost vody (tj. dostatečně snížit alkalitu)... trochu se to blíží problému slepice versus vejce. Tuhle možnost vlastně uvádím jen proto, abych zdůraznila, že snižovat pH anorganickými kyselinami může sice přinést kýžený efekt, ale zároveň to široce ovlivňuje chemismus vody - klesá alkalita (tj. pH se stává nestabilní), a naopak roste koncentrace aniontů příslušné kyseliny, což má biologický dopad na organismy. Zkuste srovnat, co se stane s chemismem vody v případě použití CO₂ nebo rašeliny.

Zvyšování alkality je o něco méně náročné, stačí prostě „do vody něco nasypat“ a změřit, jestli výsledek odpovídá našemu očekávání. Zvyšujeme-li alkalitu, dochází často k vzestupu pH, snižování množství volného CO₂ a také ke zvyšování vodivosti. Způsoby zvýšení alkality jsou do značné míry totožné s postupy, které použijeme při zvyšování pH:
1) přidání vápence, drcených korálů apod. do substrátu - zvyšujeme zároveň i tvrdost a pH; pomalejší a méně účinná metoda, ale zato má trvalý a stabilní efekt
2) přidání jedlé sody (NaHCO₃) – jedna čajová lžička (6 g) na 50 l zvýší alkalitu asi o 4 dKH; přitom tvrdost zůstane beze změny, pH může stoupnout (max. na 8,2)
3) přidání Na₂CO₃, NaOH a jiných chemikálií; např. 2 čajové lžičky (4 g) práškového CaCO₃ na 50 l vody zvýší alkalitu i tvrdost o 4 dKH (resp. 4 dGH); NaOH a Na₂CO₃ tvrdost pochopitelně nezvyšují, nicméně nadměrné koncentrace sodíku rybám nesvědčí (viz článek OSMOTICKÝ TLAK - připravuje se)
4) použití komerčních přípravků – nedivila bych se, kdyby šlo jen o jedlou sodu zabalenou v barevné krabičce...
5) posunutí rovnováhy v uhličitanovém systému, tj. vyhánění CO₂ z vody (silné vzduchování, čeření hladiny) – většinou má slabší efekt; navíc zbavit se volného CO₂ rostlinnému akváriu neprospěje

Pufrační systémy:
Látky, které mají schopnost neutralizovat kyseliny a zásady a udržovat stabilní pH na určité hodnotě se také nazývají pufry. Pufrační systém bývá tvořený slabou kyselinou a její solí; kyselina neutralizuje zásadu, sůl kyselinu (ve skutečnosti nemusí jít vždy o kyselinu a sůl; stejně fungují i různé soli téže kyseliny, vždy jedna "kyselá", druhá "zásaditá"). Udržování konstantního pH probíhá jako změna vzájemného poměru těchto dvou složek (platí zde Le Chatelierovův princip); u každého systému je známá konstanta pKa (tzv. rovnovážná disociační konstanta), která odpovídá hodnotě pH, při kterém jsou obě složky v rovnováze. U vícemocných kyselin, které tvoří několik různých solí (např. H₂CO₃ tvoří HCO₃^- a CO₃^2-; H₃PO₄ tvoří soli hned tři), je pak také známo několik různých pKa podle toho, které složky jsou ve vodě přítomny.
Henderson-Hasselbachova rovnice: pH = pKa + log ([zásada]/[kyselina])
                                                      např. pH = 6,35 + log ([HCO₃^-]/[H₂CO₃])
Le Chatelierův princip: [kyselina] = [zásada] + [H⁺]
(hranaté závorky označují koncentraci látek)
Změna pH tedy nutně vždy způsobí změnu v poměru obou složek, naopak vychýlení rovnováhy jedním nebo druhým směrem způsobí změnu pH. Změnit pH přidáním H⁺ (libovolné kyseliny) nebo OH^- (libovolné zásady) v dobře pufrovaném akváriu tedy není vůbec snadné, ale je to možné právě vychýlením rovnováhy.
Pufry se v hydrochemii využívají díky jejich schopnosti „zamknout“ určité pH. Při pH, které odpovídá pKa daného systému, je totiž pufrační schopnost nejvyšší a je potřeba dodat větší množství kyseliny (resp. zásady) pro vychýlení pH. To má praktický důsledek i pro akvaristiku – snažíme-li se jakýmkoliv způsobem změnit pH, bude to tím snazší, čím vzdálenější bude původní hodnota od pKa (tj. od 6,35 v případě akvária s dominantním hydrogenuhličitanovým pufrem). Pufry jsou účinné v koncentracích přibližně 1:100 až 100:1, takže pro hydrogenuhličitanový systém dostaneme rozsah pH 4,35-8,35. V okrajích tohoto intervalu je už pufrační schopnost slabá. Kromě pH má na sílu pufru zásadní vliv samozřejmě i koncentrace obou látek (kyseliny a její soli) - čím vyšší koncentrace, tím větší stabilita pH. Koncentraci ale z pouhého měření pH nepoznáme.
Ale to už zabíhám do detailů okolo daleko nejvýznamnějšího pufračního systémemu v živé přírodě (a tedy i v akváriu), kterým je systém (hydrogen)uhličitanový. Více o jeho fungování se dočtete v dalším díle, věnovaném CO₂.
Na tomto místě ještě zmíním jednu skutečnost, významnou pro akvaristickou chemii: Přidáváme-li do akvária kyselinu na snížení pH, ne vždy je to doprovázeno i vytvořením příslušného pufračního systému. Třeba HCl (silná kyselina) pufr netvoří, proto je změna pH méně stabilní (pořád ve vodě dominuje vliv uhličitanového systému, ale při snížení pH musela být snížena i alkalita). Naproti tomu H₃PO₄, která je součástí většiny komerčních přípravků, pufrační systém tvoří (pKa systému H₂PO₄^-/HPO₄^2- je 7,21; pKa H₃PO₄/H₂PO₄^- je jen 2,15!) – jeho vliv se potom kombinuje s uhličitanovým systémem, pokud je pH ještě v rámci jeho účinnosti. Přidání fosfátů znamená vždy vytěsnění části hydrogenuhličitanů (unikají ve formě CO₂ z vody). U vody s velkým počátečním množstvím hydrogenuhličitanů je ale potřeba dodat značné množství fosfátů, což se samozřejmě projeví na růstu řas. V tom případě bývá někdy lepší sáhnout přece jen po HCl (chce-li někdo nutně použít ke snižování pH anorganické kyseliny... což dost dobře nechápu). Přidáním dostatečného množství HCl se vyčerpá alkalita a posune rovnováha v uhličitanovém systému, a jak bude tato změna stabilní záleží na faktorech, které ovlivňují celý systém v akváriu. Jeho původní stav (a tedy původní pH) nebyl určitě náhodný a je třeba mít na mysli, že uhličitanový systém je otevřený (tj. CO₂ může z vody buď unikat, nebo se do ní rozpouštět). Dojde tedy k ustavení nové rovnováhy, vycházející hlavně z biologických pochodů v akváriu a ovlivňované i stykem vody se vzduchem.

na další část >>