Scheikunde voor aquarianen

Vissen leven in water, dat is wel bekend denk ik zo, zij staan hiermee met hun hele lichaam in verbinding. Doordat allerlei stoffen op kunnen lossen in water is de gevoeligheid van vissen hier veel groter dan bijvoorbeeld de gevoeligheid van landdieren voor lucht.

Hieruit volgt dat wanneer er iets mis is met dat water de vis hier veel sneller en heftiger op reageert dan landdieren of mensen op bijvoorbeeld luchtvervuiling. Controle over de waterkwaliteit is volgens mij dan ook de belangrijkste factor om vissen gezond te houden. Om deze waterkwaliteit te waarborgen is er enige kennis nodig over dit water en de processen die zich hierin voltrekken. Om te begrijpen wat er allemaal gebeurt is enige basiskennis van scheikunde nodig. Misschien saaie droge kost van de middelbare school, maar wel belangrijk om te begrijpen hoe bepaalde processen verlopen.

Hierover zal dan ook dit artikel gaan.

Om te begrijpen hoe we de waterkwaliteit kunnen beheersen is enige elementaire kennis van de scheikunde nodig. We moeten weten wat atomen, moleculen en ionen zijn. Ook zullen we iets over zouten, zuren en verbindingen moeten weten.

Met stoffen bedoelen we alle materialen waaruit wij zelf en alles om ons heen is opgebouwd. Zo'n stof is bijvoorbeeld keukenzout, we nemen deze stof als voorbeeld omdat hij redelijk simpel is opgebouwd. Als je een korrel zout steeds zou splitsen tot je niet verder kunt zou deze korrel aan het eind uit elkaar vallen in een deeltje natrium en een deeltje chloor. Het kleinste deeltje keukenzout (of natriumchloride zoals de scheikundige naam is) voordat het uit elkaar valt in eèn deeltje natrium en een deeltje chloor noemen we een molecuul. Een molecuul is opgebouwd uit atomen, in dit geval dus een atoom natrium en een atoom chloor. Als je een atoom uit elkaar zou trekken zie je dat een atoom bestaat uit een positief geladen kern met daarom heen één of meer schillen met daarin rondcirkelende negatief geladen deeltjes, de elektronen, (figuur 1).Natriumchloride

Er zijn net zoveel elektronen in een atoom aanwezig als er positief geladen deeltjes (protonen) in de kern zitten. Voor ieder soort atoom is dit een ander aantal. De verschillende atoomsoorten noemen we elementen. Natrium is dus een element evenals chloor. Hieruit blijkt dus ook dat de eigenschappen van de afzonderlijke elementen heel anders kunnen zijn dan die van een verbinding. Natrium en chloor zijn ieder behoorlijk gevaarlijke stoffen, maar dat kun je van keukenzout nou niet echt zeggen. Atomen kunnen zich dus onderling met elkaar verbinden tot moleculen. Elk atoom bezit als het ware een aantal haakjes waarmee ze zich met elkaar kunnen verbinden, dit aantal haakjes is verschillend voor diverse atomen. Bij een verbinding moeten alle haakjes gebruikt worden, (dit aantal haakjes noemt men de valentie of waardigheid van een atoom).

Natrium en chloor zijn enkelwaardig Na + Cl —> NaCI. Calcium bijvoorbeeld is tweewaardig Ca + 2Cl —> CaCl. Door alle haakjes te gebruiken kun je dus uitvogelen hoe een molecuul in elkaar zit, maar dat is misschien meer iets voor een puzzelboekje. De waardigheid van de diverse atomen moet je opzoeken, die staat vast, daar zijn tabellen voor. (figuur 2)

Figuur 2
Element Afkorting Waardigheid
Waterstof H 1
Zuurstof O 2
Koolstof C 4
i !   (2 in Koolmonoxide)
Natrium Na 1
Calcium Ca 2
Magnesium Mg 2
Aluminium Al 3
Ijzer Fe 2 of 3
Stikstof N 3 of 5
Cloor Cl 1, 3, 5 of 7
1 1   (maar meestal 11)
Fosfor! P 3 of 5

Zouten en zuren zijn stoffen (moleculen) die je op kunt lossen in water. Wat er gebeurt als je deze in water oplost is dat deze moleculen atomen of atoomgroepen af kunnen splitsen. Die atomen of atoomgroepen pikken dan een elektron van een ander af zodat er geladen deeltjes ontstaan. Deze deeltjes noemen we ionen, deze kunnen dus positief of negatief geladen zijn. (figuur 3 ).

Positief geladen zijn de deeltjes die een elektron afgestaan hebben en negatief geladen zijn de deeltjes die een elektron opgepikt hebben. Een zuur is een verbinding die in water opgelost bestaat uit een positief geladen waterstofion ( H+ ) en een negatief geladen zuurrest. Als voorbeeld nemen we zoutzuur ( HCI ). Dit zuur bestaat uit een atoom waterstof en een atoom chloor, opgelost in water krijgen we dus een positief waterstofion en een negatief chloorion. ; H+ en Cl

Het vrije positief geladen waterstof ion is verantwoordelijk voor het zure karakter. Een ander voorbeeld van een zuur is koolzuur, de formule voor koolzuur is H2CO3 (niet te verwarren met koolzuurgas of CO2 ). Het verschil tussen zouten en zuren is dat bij zouten het waterstofatoom vervangen is door een metaalatoom, zoals bij ons voorbeeld keukenzout of NaCI.

Dit valt in water opgelost uit elkaar in een positief geladen natriumion en een negatief geladen chloorion. Soda en dubbelkoolzure soda (of natrium hydrogeencarbonaat) zijn beide zouten van koolzuur. Bij soda zijn beide zure H+ atomen vervangen door natrium, bij dubbelkoolzure soda maar één. De formule voor soda is Na2CO3, die van dubbelkoolzure soda NaHCO3.

Figuur 3

WaterstofHet negatief geladen elektron draait linksom om de positief geladen kern

 

 

Kern

Het eenvoudige atoom van waterstof

 

Rechts zien we een watermolecuul. Hef zuurstofatoom bezit 8 electronen in twee schillen. De twee waterstofatomen kleven als het ware aan de buitenste schil van dit zuurstof.

Tenslotte nog iets over basen, dit zijn stoffen die in staat zijn een OH  ion af te splitsen. Als voorbeeld nemen we natriumhydroxide (of caustic soda oftewel afvoerontstopper). De formule van natriumhydroxide is u raad het al NaOH, dit valt in oplossing dus uit elkaar in Na+ en OH. Kalkwater bevat ook een base namelijk calciumhydroxide oftewel Ca(OH)2 (in deze stof zitten 2 OH- ionen omdat calcium tweewaardig is.) Basen zijn de tegenhangers van zuren omdat ze H+ ionen kunnen neutraliseren want H+ en  OH geeft H2O oftewel water. Als we de pH van ons water meten dan meten we de hoeveelheid vrije H+ ionen, de hoeveelheid waterstofionen. Een lage pH betekent een hoge H+ concentratie dus veel vrije waterstofionen. Neutraal water heeft een pH van 7.

We weten nu iets van zouten zuren en basen. Nu nog even iets over het bufferevenwicht in water. Dat is het systeem dat er voor zorgt dat een beetje zuur dat ontstaat weggenomen kan worden zonder dat gelijk de pH naar beneden stort. Dit bufferevenwicht van water wordt gevormd door verbindingen die we uit het dagelijks leven heel goed kennen: koolzuur (in cola en ons favoriete biertje), soda en dubbelkoolzure soda (zuiveringszout).

Zuiveringszout neem je in bij teveel maagzuur, dit neutraliseert als het ware het zuur. Na al dit scheikundig gedoe komen we dus langzamerhand waar we wezen willen, namelijk de eigenschappen van water. Een van de termen die we allemaal wel kennen is carbonaathardheid of ook wel bufferend vermogen genoemd naar de belangrijkste functie ervan. Een voldoende hoge carbonaathardheid zorgt er namelijk voor dat de zuurgraad van water constant blijft en niet gaat schommelen. Een andere term is zuurbindend vermogen. In oudere literatuur komen we ook wel de term tijdelijke hardheid tegen. Deze term is afgeleid van de eigenschap, dat de carbonaathardheid verdwijnt (neerslaat) wanneer we water koken in een metalen pan. We vinden het dan terug in de vorm van ketelsteen. Wat gebeurt er nu met de carbonaathardheid of KH en hoe wordt de zuurgraad van water er door beïnvloed?

Dat alles kunt u hier lezen

Bronnen :

Cursus visziekten van het IPC in Barneveld. Chemie overal scheikunde 1 voor vwo ISBN 90 11 040988