Nee, de kH past zich aan omdat het evenwicht verschuift daar de pH verandert door dissociatie van het gevormde salpeterzuur.
De kH is een maat voor het aantal bicarbonaten en carbonaten. Bicarbonaten zijn de geconjugeerde basen van CO2. Vandaar dat CO2 de uitzondering is.
Wat er gebeurt indien je CO2 toevoegt: de CO2-concentratie stijgt en het evenwicht probeert dit tegen te gaan door CO2 om te zetten in bicarbonaten (dus de kH zal stijgen). Bij deze reactie reageert CO2 als zuur en dus zal ook de pH dalen. Daar de (oxonium-)ionen die de pH bepalen in een gemiddeld aquarium een véél lagere concentratie hebben dan de bicarbonaat-ionen die de kH bepalen (grootteorde 10.000x meer bicarbonaat-ionen dan oxonium-ionen) zal het voldoende zijn voor het systeem om voor een aanpassing voor de pH te zorgen en zal de kH (die dus een grootteorde van 1/10000 is gestegen) onmeetbaar zijn. Pas wanneer de pH en kH extreem laag zouden worden zou het omgekeerde kunnen plaatsvinden. De kH, die dan al zo klein is dat hij niet meer meetbaar is, zal gaan stijgen bij CO2-toevoeging en de pH zal niet of nauwelijks dalen.
Terug naar normale aquariumomstandigheden, met een voorbeeld:
stel pH = 7 en kH = 7°dkH.
Concentratie oxoniumionen = 0,0000001 M
Concentratie bicarbonaationen = 0,0025 M
Men zou aan de hand van deze 2 waarden het CO2-gehalte kunnen bepalen, maar in dit voorbeeld is dit niet nodig. Laat ons voor de eenvoud stellen dat we dusdanig veel CO2 toevoegen om de CO2-concentratie te verdubbelen. Om het evenwicht te bewaren moet ook het product van de concentratie aan oxoniumionen en de concentratie aan bicarbonaationen verdubbelen (voor de eenvoud vergeten we even dat dit op zijn beurt een evenwichtsverstoring tussen bicarbonaat en carbonaat zal veroorzaken). Men kan in een oogopslag vaststellen dat het verdubbelen van de concentratie aan oxoniumionen voldoende zou zijn om dit te bewerkstelligen. Als per liter 0,0000001 mol aan CO2 reageert met water ter vorming van 0,0000001 mol oxoniumionen en evenveel bicarbonaationen worden de nieuwe concentraties:
Oxoniumionen = 0,0000002 M
Bicarbonaationen = 0,0025001 M oftewel = 0,0025 M
De kH stijgt in dit voorbeeld dus met amper 0,004%.
Oftewel: na reactie is de pH = 6,7 en de kH = 7°dkH.
Ik heb hier en daar niet netjes afgerond, maar dat verandert niets aan het principe.
Bij de dissociatie van salpeterzuur (in dit voorbeeld, maar in feite van om het even welk ander zuur anders dan CO2 of bicarbonaat) gebeurt er wat anders. Salpeterzuur geeft een proton af aan water en zo ontstaat er naast 1 nitraat-ion (of andere zuurrest bij een ander zuur) ook een oxoniumion. Om het evenwicht te bewaren zal de wijziging in concentratie van de oxoniumionen in verhouding ook moeten doorgevoerd worden op het quotiënt van de CO2-concentratie en de bicarbonaat-concentratie.
Stel dus dat je in hetzelfde voorbeeld zou zien dat de pH door een zuur anders dan CO2 daalt van 7 naar 6,7, dus wetende dat de oxoniumionen zijn verdubbeld, dan moet ook de verhouding CO2/bicarbonaten zijn verdubbelt.
En nu hebben we wel de concentratie CO2 nodig: bij 7°dkH is dat 26 ppm oftewel: 0,00059 M
De verhouding CO2 en bicarbonaten voor de toevoeging was dus 0,00059/0.0025 = 0,236.
Deze moet dus verdubbelen tot 0,472 door omzetting van bicarbonaten in CO2.
Wat kan bereikt worden door per liter 0,0004 mol bicarbonaat-ionen om te zetten in CO2.
Na de reactie:
Concentratie CO2 = 0.00059 + 0.0004 = 0.00099 M = 44 ppm
Concentratie bicarbonaationen = 0,0025 - 0,0004 = 0,0021 M oftewel 5,9 °dkH.
De verhouding klopt (naar boven afgerond) weer: 0.00099 / 0.0021 = 0,472.
Zoals je ziet is de kH nu wel gedaald en ditmaal niet verwaarloosbaar (-16%). De oorzaak is de pH-verandering, want het is de wijziging in concentratie aan oxoniumionen (waar de pH een maat voor is, het negatief logaritme van de activiteit ervan om precies te zijn) die een verschuiving van het evenwicht noodzakelijk maakte.
Merk op dat deze evenwichten ten allen tijde spontaan gevormd worden. Ten allen tijde botsen moleculen met elkaar een gaan daarbij soms chemische reacties aan. In evenwicht is de snelheid waarmee de bicarbonaationen tot CO2 reageren gelijk aan de snelheid waarmee CO2-moleculen tot bicarbonaationen reageren. Deze snelheden zijn evenredig aan de concentraties (des te hoger de concentratie, des te hoger de kans dat 2 deeltjes botsen en des te hoger de kans dat ze met elkaar reageren) en dus zal een hogere of lagere concentratie zorgen voor een hogere resp. lagere snelheid waardoor het evenwicht zich ten allen tijde automatisch hersteld. Deze evenwichten zijn dus absoluut en op geen enkele wijze te voorkomen. Wat men ook beweert 🙂