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COMPRENDIENDO LA QUÍMICA GENERAL DEL ACUARIO CON PLANTAS



INTRODUCCION:

Cuando se trata de capturar un pequeño pedazo de naturaleza en nuestros hogares, nosotros los acuaristas nos las hemos arreglado para reproducir los más difíciles entornos.
La dificultad se encuentra en los numerosos parámetros que se deben controlar. Estos incluyen iones disueltos, gases disueltos, pH, y restos. En un sistema acuático abierto éstos parámetros se controlan naturalmente a través de un complejo sistema de ciclo de autorregulación basado en mecanismos de control.
Sin embargo, en un sistema acuático cerrado, la autorregulación existe muy tenuemente en el mejor de los casos y puede destruirse si el sistema no se mantiene adecuadamente. El mantenimiento correcto requiere nuestra intervención, donde la naturaleza normalmente actuaría.
Este mantenimiento implica la aplicación de principios químicos básicos. Aunque uno puede mantener un acuario sin entender los principios que se aplican, una comprensión básica puede ayudar a disipar algo del misterio a cerca de lo que hacer o no hacer. Además, cuanto más se entiende, más capaz se será de evitar un desastre o conseguir un mayor nivel de éxito.


ATOMOS:

Antes de proceder con cualquier discusión a cerca de la química que ocurre en un acuario es necesario repasar algo de química general rudimentaria. Sin este conocimiento básico, cualquier discussion posterior sería de poco beneficio. Toda la materia, (organismos vivos, suelo, aire,agua, asteroides, estrellas, etc…) están compuestos de átomos. Un átomo es la unidad más pequeña de materia que tiene las propiedades únicas de sus elementos. Un elemento es una materia que está compuesta de un solo tipo de átomo. Ejemplos de elementos son el oxígeno, el carbono, nitrógeno y hierro. Los átomos en sí están compuestos de otras partes más pequeñas: electrones, protones y neutrones. Los protones llevan carga positiva, los electrones negativa y los neutrones son neutros. Cada átomo está compuesto de estos tres componentes básicos (sólo el hidrógeno carece de neutrones). Por ejemplo, un protón en un átomo de oro es exactamente el mismo que un protón en un átomo de oxígeno. Lo que distingue a los elementos es el número de protones encontrados en sus respectivos átomos. Por ejemplo, el oxígeno tiene 8 protones, mientras que el oro tiene 79. Cada átomo encierra sus protones en su centro. Este centro se llama el núcleo de del átomo. En un átomo neutro el núcleo está rodeado del mismo número de electrones que de protones. Esto puede ser visualizado de manera simplista como un equivalente a los planetas orbitando una estrella, aunque una imagen más realista se parecería más a una colmena de abejas volando alrededor de un panal: un movimiento impredecible, aleatorio en un enjambre circular.

IONIZACION DE LOS ATOMOS:

Algunos átomos están relacionados con el número y localización de los electrones orbitando el núcleo. Algunos átomos “intentan ser como” sus primos más estables dando o ganan do electrons así que su configuración de electrones es idéntica a la de su más estable primo próximo.


En el dibujo 1 vemos que la configuración central es la más estable y está representado por un núcleo rodeado de un caparazón que contiene cuatro pares de electrones. Hay múltiples caparazones, pero se muestra la más exterior para mayor claridad.
Estos elementos estables se llaman comúnmente “gases nobles”. Son tan estables que no reaccionan ante ningun otro elemento de ninguna manera.
En el dibujo 1 (en la parte izquierda) vemos que los halógenos (elementos con un protón menos en su capa exterior que su vecino más próximo gas noble) ganará un electrón así su configuración de electrones es la misma que su vecino gas noble.
Como tienen un electrón extra se cargan negativamente y se llaman iones negativos (aniones). Un átomo es en un estado neutro cuando el número de electrones es el mismo que el número de protones. Como por ejemplo (Dibujo 1, derecha), un elemento con un protón más que su vecino más próximo gas noble (metal alcalino) perderá un electrón así su configuración es la misma que su vecino gas noble (la capa exterior está vacía y puede ignorarse aquí). Como le falta un electrón tiene carga positiva y se llama ión positivo (catión).


MOLECULAS:

Cuando los átomos se combinan forman estructuras más grandes llamadas moléculas. Cada molécula de sustancia es idéntica a cualquier otra molécula de esa sustancia. Loa átomos en una molécula se sostienen por una asociación energética llamada enlace. Un enlace puede ser simplemente caracterizado en términos de su fuerza. Los tres tipos básicos de enlace (los más fuertes primero)son covalente, iónico y coordinado (o dativo). Los enlaces covalentes son difíciles de romper y no pueden romperse disolviendolos en agua. Los enlaces iónicos son mucho más débiles y se pueden romper fácilmente en disolución de agua.
Los enlaces coordinados no son realmente un enlace físico sino que una asociación fuerte basada en cargas contrarias.
En general, si un elemento se enlaza a un halógeno (fluor, cloro, bromo, yodo) es un enlace iónico. Si un elemento se enlaza con carbono, nitrógeno o fósforo tiene un enlace covalente.
Las moléculas pueden tener una mezcla de diferentes enlaces.
Algunas partes de una molécula pueden mantenerse juntas por enlaces covalentes mientras otras partes pueden permanecer juntas por enlaces iónicos. Por ejemplo, el bicarbonato de sodio tiene tres átomos de oxígeno enlazados a un átomo de carbono central (ver dibujo 9). Dos de estos oxígenos son enlazados iónicamente al ión de hidrógeno y el ión de sodio respectivamente. Los enlaces iónicos se consideran altamente polares. Esto significa que hay áreas predominantemente positivas y negativas (similares a los polos de un imán). Estos “contrarios” se atraen el uno al otro fuertemente, formando un enlace iónico.
En la presencia de un disolvente que posee el mismo carácter polar (como el agua) estos enlaces iónicos se romperán, dejando libres los componentes individuales que se estabilizarán por el abrumador número de moléculas polares disolventes. Esto ayuda a comprender porqué ciertos compuestos se disuelven en agua y por qué se disuelven en la manera que lo hacen ( por ejemplo, el bicarbonato de sodio produce cationes de sodio, cationes de hidrógeno y aniones de carbono, pero no iones de carbono u oxígeno).


ACIDOS Y BASES:

Aparte de las sales (como la sal de mesa, cloruro sódico), los ejemplos más conocidos de enlaces iónicos se encuentran en los ácidos y las bases.
Pero primero, qué es un ácido? Qué es una base? Los ácidos se definen como substancias capaces de dar un ión de hidrógeno y las bases sustancias capaces de aceptar un ión de hidrógeno. Los ácidos y las bases pueden ser fuertes o débiles. Un ácido fuerte (ejemplo del cual es el ácido hidrocloridrico) será completamente ionizado cuando se le añada agua. No sobrarán moléculas de ácido en el agua, solo iones de cloro e iones de hidrógeno. La última parte de esta afirmación es una ligera simplificación. Los iones libres de hidrógeno(H+) se juntan a la molécula de agua.


Como se ve en el dibujo 2, la forma verdadera de los iones de hidrógeno es la del ión de hidronio (H3O+).


POTENCIAL DE HIDROGENO(PH):

Cuando medimos el pH estamos midiendo realmente la concentración de iones de hidronio en el agua (poder de hidronio, pH). Dado que la concentración de iones de hidrógeno es bastante baja, es más fácil referirse al pH en términos del logaritmo negativo de la concentración más que a la concentración en sí misma (pH 7 es un poco más fácil de decir que pH 0,0000001). Esto tambien explica por qué la alta acidez se expresa por valores de pH bajos (una convención intuitiva de contador invertido). Un ácido débil o base es una que no se ioniza del todo cuando se disuelve en agua.
Un ejemplo bien conocido es el amoníaco. Este ejemplo puede tambien usarse para resaltar la dualidad central entre los ácidos y las bases (dibujo 3).

Cuando el amoníaco (NH3), una base, acepta un ión de hidrógeno, produce NH4, el ácido conjugado de NH3. Cuando el NH4+, un ácido, suelta un ión de hidrógeno, forma una base conjugada NH3. La transformación de uno en el otro y al revés resulta el equilibrio. El balance relativo entre las dos formas se describe como el equilibrio constante, K.
Este balance se determina por la ratio del producto de las concentraciones de los productos químicos al producto de las concentraciones de los reactivos químicos.

Esta constante es una function de la estabilidad relative de los productos y reactivos en el solvente seleccionado (tipicamente agua). El pH del solvente puede influenciar la posición relativa del equilibro pero no del equilibrio constante en sí mismo. En otras palabras, el equilibrio constante, K, no cambia.
La razón por la que el pH puede influenciar la posición del equilibrio se explica en el principio de LeChatelier, que dice: “Si un sistema en equilibrio se interrumpe por un cambio de temperature, presión o de concentración de uno de los components, el sistema tenderá a volver a su posición de equilibrio para contrarrestar el efecto perturbante”.

Este principio aplica a cualquier proceso en el que ocurra cualquier tipo de equilibrio. En el dibujo 5, hemos simplificado el equilibrio amoníaco/amonio en términos de solo aquellos componentes que sufren un cambio apreciable en su concentración. La concentración de agua es básicamente constante, por lo tanto puede ser incorporada al equilibrio constante, K, para producir un nuevo valor, Ka (la constante de disociación del ácido). El logaritmo negativo de Ka es el pKa, que para el amonio es 9,25. Sin embargo, el propósito principal del dibujo 5 es ilustrar el principio de LeChatelier mostrando que bajar el pH (incrementando la concentración de iones de hidrógeno) resulta en la caída del nivel de amoníaco y la subida del nivel de amonio. Estos cambios suceden para reestablecer el equilibrio y volver a la ratio entre producto y reactivo a su valor de equilibrio.

SUBTEMARIO: POTENCIAL DE HIDROGENO(PH):



TAMPONES:

Un tampón consiste en dos partes (i) un ácido débil o base y (ii) una sal de ese ácido débil o base. El equilibrio constante del ácido débil o base dictamina qué pH mantendrá principalmente. La sal del ácido débil o base nos permite ajustar la ratio deseada entre el ácido conjugado y la base conjugada de tal forma que el tampón empezará en el pH deseado. Por ejemplo, un tampón basado en bicarbonate emplea un ácido débil (ácido carbonico) y una sal de ese ácido (bicarbonato sódico). Para determinar el pH resultante usamos la ecuación de Henderson-Hesselbalch (dibujo 6)
Que nos ayuda a clarificar como la ratio de ácido y base afectan al pH. En esta ecuación vemos que cuando los componentes del ácido y la base están en concentraciones iguales el pH es igual al pKa del ácido (6,35 para el ácido carbonico). Como la relación entre el ratio entre el ácido y la base se expresa de manera logarítmica, por lo contrario grandes cambios en la cantidad de ácido o base producen muy pequeños cambios en el pH final.

Sin embargo, una vez que nos excedemos más de cinco veces el exceso de un componente por encima del otro, el cambio del pH se hace grande. Si la cantidad absoluta de componentes del tampón es grande, entonces la capacidad del tampón par resistir un cambio en el pH es grande también.

SUBTEMARIO: TAMPONES:



LAS LEYES DE LOS GASES:

La ley de Henry (dibujo 7) ilustra la relación entre la presión de un gas sobre un solvente y la concentración del gas en ese solvente. Tanto como la presion del gas (Pg) aumente, así aumenta la concentración del gas (Cg) en el solvente (k es una proporcionalidad constante).

Si la temperatura se incrementa, la solubilidad baja para los gases porque disolver un gas en agua es un proceso exotérmico (que suelta calor). Añadir calor al sistema producirá un incremento de gas libre como LeChatelier requiere. A temperaturas elevadas, los niveles de CO2 disuelto y O2 (oxígeno) decrecen (ver dibujo 7: la concentración se da asumiendo una atmósfera al 10% de CO2 que está por encima del límite encontrado en la mayoría de tablas CO2/HCO3, O2 se da asumiendo una atmósfera al 100% de O2.


CO2 Y KH:

El uso de un tampon de carbonato puede ser bastante engañoso debido a una peculiaridad que no se encuentra en otros sistemas tampón. Normalmente uno gana o pierde el componente ácido en un tampón con un cambio en el pH. Pero el tampón de carbonato puede tambien ganar o perder el componente ácido (ácido carbónico) con un cambio en la concentración de CO2. La concentración de CO2 se ve afectada por la temperatura, la aireación o la presión del CO2 en el gas por encima del agua. Esto nos lleva de nuevo al principio de LeChatelier. Un decrecimiento en el nivel de CO2 en el agua producirá un descenso del ácido carbónico en el agua (ver figura 7).


La concentración de ácido carbónico disminuye para hacer al sistema volver a su equilibrio con el nuevo nivel bajo de CO2. Cuando el nivel de ácido carbónico cae, el nivel de bicarbonato sube tambien lo que nos produce un pH superior (ver dibujo 9, bicarbonato; niveles decrecientes de bicarbonato necesariamente producen una caída en el ión de hidronio).
De la misma manera, un incremento en el CO2 resultará en un incremento en el ácido carbónico, seguido de un incremento en bicarbonato y su concomitante ión de hidronio, lo cual produce un descenso del pH.


ALCALINIDAD Y KH:

Hay mucha confusión a cerca de estos términos. No nos sumiremos en las infortunadas razones de esto en este momento, pero sin embargo, intentaremos simplemente clarificar el tema definiendo ambos términos:
Alcalinidad: una medida de la capacidad del agua para resistir el descenso de pH con la adición de un ácido. Cuanto más grande sea el número, más grande será la alcalinidad (dentro de una escala de sistema particular).
La alcalinidad se puede dar por cualquier número de compuestos (carbonato, bicarbonato, borato, fosfato, hidróxido). Además, una medida de alcalinidad no necesariamente indica la presencia de cualquiera de estos compuestos arriba indicados.
KH: dureza de carbonato. Una medida de la cantidad de carbonato/bicarbonato en un volumen de agua dado.
En general esto es típicamente el valor de alcalinidad, pero no es necesariamente así.
Dureza temporal: otro nombre para KH. Este es temporal porque (como hemos leído arriba) cambia según la concentración de CO2 y los niveles de ácido pueden afectar rápidamente este valor. Esto es en contraste con la GH (dureza general) que no cambia apreciablemente a corto plazo.
Dureza General: una medida del calcio y la concentración de magnesio.


RESUMEN:

Para comprender completamente cómo el CO2 y el KH funcionan en un acuario con plantas usted debe entender los otros temas que hemos tratado aquí también. Atomos forman la molécula de bicarbonato que se se mantiene unida por lazos covalentes e iónicos.
Cuando se añade agua, la molécula se disolverá formando aniones y cationes que establecerán un equilibrio entre las formas de cabonato, bicarbonato y ácido carbónico.
Cambios en cualquiera de ellos, pH, CO2, bicarbonato o cabonato influenciarán la concentración de los otros tres. Estos cambios ocurren por el principio de LeChatelier.
En un acuario plantado, el empleo de un sistema de inyección de CO2 apropiadamente instalado, el KH y el pH deberían permanecer estables porque solo se añade el CO2 necesario que las plantas necesitan. En la práctica esto es lo que se consigue cuando se usa un sistema de inyección de CO2 con un sistema de medición de pH.
Aunque raramente se tienen problemas de pH/KH usando este sistema, todavía hay una ruta química por la cual el KH y el pH pueden caer y que no se puede remediar por un sistema de CO2. Esta posibilidad existe porque los acuarios con plantas producen muchos compuestos orgánicos acidificantes (por ejemplo tánicos, húmicos, y ácidos úricos) que reaccionarán con el KH (bicarbonato/carbonato) presente.
Esta reacción convierte el bicarbonato en ácido carbónico. El ácido carbónico produce CO2 que puede (i) ser utilizado, (ii) ser expulsado en forma de gas, o (iii) reequilibrarse (sin embargo, la cantidad de bicarbonato producido es solo una pequeña fracción de lo que fue inicialmente consumido). Uno puede alertarse de esta situación por una caída rápida del pH (que ocurre cuando la concentración de bicarbonato cae por debajo de la concentración de CO2).
Una vez que esto ocurre es químicamente imposible restaurar este KH perdido manteniendo o incrementando el nivel de inyección de CO2.

Esta relación se hace evidente cuando observamos la ecuación de equilibrio ilustrada en la figura 4.
Para H2CO3 y HCO3- el valor K es 0.000000447. Cuando consideramos que la concentración de bicarbonate está en el numerador y que el ácido carbónico (Co2) está en el denominador en esta relación, parece claro que no importa cuan grande sea el denominador, el numerador siempre será mucho, mucho más pequeño.
Sin embargo, esta pérdida drástica de KH no es algo que ocurra comúnmente porque la mayoría de las personas recurren a un cambio de agua mucho antes de que esta situación pudiera suceder. El cambio de agua o bien tiene suficiente KH o puede ser proporcionado usando una solución tampón de bicarbonato. Aunque esto es raro, es importante estar al menos alerta si alguien se relaja y olvida los cambios de agua por varios meses. La rapidez de este proceso está relacionada con la limpieza general del sistema. (por ejemplo, la eliminación efectiva de residuos) y el KH inicial.
En un acuario bien plantado sin inyección de CO2 las plantan usarán el CO2 disponible, causando que los carbonatos presentes reequilibren y produzcan por lo tanto más CO2. Los agentes acidificantes mencionados arriba tenderán a conducir el equilibrio de bicarbonato para producir más CO2. En este tipo de ajuste, la presencia de agentes acidificantes puede tener un efecto beneficioso; ayuda a mantener un nivel de CO2 más alto que el que hubiera sido si la utilización hubiera sido la única fuerza conductora de la formación de CO2 adicional. Con este sistema uno debe mantener activamente el KH añadiendo periódicamente solución tampón basada en bicarbonato. Las plantas están en esencia “comiendo” la solución tampón.
El uso de las plantas de CO2 y la presencia de agentes acidificantes en el agua conducen al equilibrio del bicarbonato para mantener un nivel constante de CO2. En la mayoría de los casos la cantidad de CO2 producido es adecuada para niveles de crecimiento de moderados a buenos, sin embargo, si las planta son capaces de consumir CO2 más rápidamente que lo que el reequilibramiento lo puede producir, entonces el paso de la reequilibración se convertirá en un factor limitante del crecimiento de las plantas (asumiendo que todos los demás nutrientes están en niveles suficientes para no limitar el crecimiento). La solución tampón de bicarbonato mantiene KH y pH por el principio de Le Chatelier. Sin una comprensión de este principio químico básico nosotros no seríamos capaces de explicar el funcionamiento de uno de los sistemas más básicos en un acuario con plantas.

Por: Gregory Morin, Ph.D.
Research Director, Seachem Laboratories, Inc.
Traducido por: Laura Soria.









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