Le KH, le pH, le CO2 en aquarium d'eau de mer

Le KH, le pH, le CO2 ... comprendre ces paramètres et les modifier


Tout le monde a entendu parler du pH, du KH, de leur importance pour le vivant, coraux et poissons. Ce sont des paramètres qui évoluent naturellement entre le jour et la nuit, ou qui rendent compte de la consommation en calcium des coraux voir de la production en CO2 des algues d'un refuge. Si l'on sait par expérience que le calcium va avoir tendance à diminuer dans l'eau et modifier le KH, il est difficile de comprendre l'action d'un réacteur à calcaire, à hydroxyde de calcium, d'un ajout de sel enrichi ou d'une solution tampon KH.

Ce qu'il faut retenir

Le KH veut dire "dureté carbonatée de l'eau" ou "pouvoir tampon de l'eau". C'est un paramètre très important car d'une part, il va permettre de stabiliser le pH (c'est ce qu'on appelle le "pouvoir tampon") et d'autre par il correspond à la quantité de calcium (et de magnésium) que les coraux et les autres organismes vivants (comme les algues) vont pouvoir utiliser.
La dureté carbonatée est intimement associé à la présence de CO2 dans l'atmosphère, car c'est lui, en se dissolvant naturellement dans l'eau, qui va, en se liant ensuite avec les ions du calcium et du magnésium, les rendre disponibles pour la construction du squelette des coraux.
Le CO2 dissout dans l'eau, sa relation avec les ions, vont permettre au pH de se stabiliser.
Ces trois paramètres, KH, CO2, pH sont donc intimement liés les uns aux autres et il est impossible de n'en considérer qu'un seul. 

L'objectif de cet article est de présenter une description rapide et simple de ces notions, pour que chacun puisse avoir de bons réflexes et engager les bonnes méthodes de maintenance.

Quelques définitions
La matière qui nous entoure est constituée de molécules elles-mêmes composées d’atomes.
Par exemple une molécule d’eau contient 2 atomes d’hydrogène H et un d’oxygène O ; c’est pour cette raison qu’on note la molécule d’eau « H2O ».

Les atomes ne restent pas nécessairement liés dans une molécule ; ils peuvent se séparer en acquérant une ou plusieurs charges électriques ; on dit qu’ils sont ionisés et on les appelle des ions; cette charge électrique peut être positive, auquel cas l’ion est un cation, ou négative auquel cas l’ion est un anion.
De plus un ion peut être constitué d'un ou de plusieurs atomes identiques ou différents.
Par exemple l’hydroxyde de calcium Ca(OH)2 une fois dissout dans l'eau du réacteur à calcium se scinde en un cation calcium Ca2+ et deux anion hydroxyde OH-.



Remarquez que l'ion calcium (en gris dans l'image) reçoit 2 charges positives alors que l'ion hydroxyde (en rouge dans l'image) n'en reçoit qu'une négative : la charge globale de la molécule devant être neutre, ceci explique pourquoi il faut 2 OH- pour un Ca2+pour faire une molécule d'hydroxyde de calcium Ca(OH)2 neutre.

Les atomes et les ions étant très petits, leur quantité gigantesque est difficile à manipuler, raison pour laquelle on a inventé comme unité de mesure la mole : c’est le nombre d’atomes contenus dans un gramme du plus petit élément chimique, l’hydrogène (environ 6 cent mille milliards de milliards, ou 6 suivi de 23 zéros qu’on note aussi 6x1023).
Puisqu'on parle d'unités il est bon de savoir qu'une ppm (part par million) et un mg/l(milligramme par litre) c'est la même chose.

Enfin le potentiel hydrogène mieux connu sous l’abréviation pH est la concentration en ions H+ libres (non liés à une molécule d’eau) exprimée en moles par litre.
Une eau neutre contient 0,0000001 mole de H+ par litre soit 1 précédé de 7 zéros qu’on note aussi 10-7 : on dit que le pH est égal à 7.
S’il y a d’avantage de H+, par exemple 0,000001 mole par litre (6 zéros) ou 10-6 : pH = 6;
la solution est dite acide si le pH est inférieur à 7.
S’il y a moins de H+, par exemple 0,00000001 mole par litre (8 zéros) ou 10-8 : pH = 8;
la solution est dite basique si le pH est supérieur à 7.

Principaux anions rencontrés en aquarium marin
Cl- : chlore
O2- : oxygène
C4- : carbone (4 fois négatif)
OH- : hydroxyde
CO32- : carbonate
HCO3- : hydrogénocarbonate (ancien nom : bicarbonate)
SO42- : sulfate
Principaux cations rencontrés en aquarium marin
H+ : hydrogène
Ca2+ : Calcium
Mg2+ : Magnésium
Na+ : sodium

1ere partie : le pH, le KH et le CO2, pourquoi sont-ils dépendants les uns des autres ?

Ces paramètres sont dépendantes les uns des autres et sont directement liés à la quantité de CO2 qui s'est dissout dans l'eau et qui s'est transformé en ions carbonates et hydrogénocarbonates.

Tout ce qui va modifier le nombre de H+ et d'OH- va modifier le pH. Par exemple, j'ajoute du calcium sous forme d'hydroxyde de calcium (c'est de la chaux : Ca(OH)2), celui-ci se dissocie dans l'eau sous forme de Ca2+ et de 2 OH-. L'augmentation de la quantité d'OH- fait diminuer le nombre de H+ et donc comme le pH est lié à cette concentration la solution devient basique.

Mais pas besoin d'ajouter soit même quoi que ce soit à de l'eau pour en changer le pH, il suffit d'attendre que le CO2 fasse son œuvre.

Le CO2 est présent dans l'air. Il y en a 0,038 % mais ça suffit. Le CO2 est soluble dans l'eau jusqu'à une certaine concentration. On peut en mettre plus, soit en mettant l'eau en contact avec du CO2 pur, comme dans dans un réacteur à calcaire, soit en étant sous pression, et là ça fait du Perrier, c'est pas trop le sujet.

Donc le CO2 se dissout dans l'eau et comme l'hydoxyde de calcium précédent, il va se dissocier pour former des ions (HCO3- et CO32- pour être précis). Et là on touche du doigt quelque chose d'important, le CO2 se transforme en un acide faible lorsqu'il est dissout dans l'eau, il va modifier le pH. Mais à la différence de l'hydroxyde de calcium, il n'apporte que des anions (les deux cités précédemment) et va donc augmenter la quantité de H+ et donc diminuer le pH. Les H+ "apparaissent" pour se lier aux carbonates pour que la somme des charges des anions soit égale à celle des cations. Car il faut autant d'anions que de cations dans une solution (balance ionique), sinon c'est mal, c'est impossible (à part dans une batterie, mais c'est pour ça qu'elle débite du courant, bref passons)

Mais le KH dans tout ça ? d'abord ça veut dire quoi ? c'est l’abréviation de Karbonathaerte qui veut dire dureté carbonatée en allemand. C'est un paramètre qui rend compte de la quantité de cations liés aux carbonates (ou d'autres anions mais pour nous ce sont les carbonates). 

Dans l'eau de mer (ben oui, c'est quand même ça qui est important), on a une assez grosses quantité de sel minéraux. Certains sous forme de chlorure (le chlorure de sodium, NaCl, qui devient Na+ et Cl- dans l'eau) des sulfates (SO42-), des carbonates et d'autres espèces chimiques plus mineures. Attention car dans l'eau tout est mélangé sous forme d'ions (Na+ Cl- K+ Ca2+ Mg2+ CO32- HCO3- etc...).

Dans l'eau de mer, on a donc des ions et on sait que le CO2 présent dans l'air se dissout sous forme de CO32-, HCO3-. A l'équilibre (quand on a attendu suffisamment longtemps et qu'on touche plus à rien) les cations sont associés aux anions CO32- et HCO3-. Mais il y a aussi des H+ associés à ces anions, ce qui modifie leurs concentrations et donc le pH. On peut calculer qu'avec une eau de mer de composition normale le pH est d'environ 8,4.

Et si il n'y avait pas de CO2 dans l'air ? les pauvres cations (ceux des sels minéraux) se retrouveraient tout seul et iraient chercher des OH- pour que la balance ionique soient respectée. Et qui dit OH- dit augmentation du pH (cf le début du texte). Pour l'exemple, j'ai calculée le pH d'eau eau de mer que l'on prive de CO2 (un million de fois moins que dans l'air). Et là le pH passe à 10,7 (c'est tout de suite moins vivable pour le vivant présent initialement dans l'eau). Il est donc important d'assurer un bon brassage de la surface de l'eau car cela permet d'amener de l'oxygène et aussi du CO2.

Et le pouvoir tampon dans tout ça ? il est directement lié à la quantité de CO2 dissout et sous forme d'ions associés au cations. Si quelque chose se passe et modifie la quantité d'anions ou de cations, on a vu que dans l'eau pure des H+ ou des OH- vont se lier aux ions que l'on apporte et modifier le pH. Mais dans le cas où l'on a des carbonates dans l'eau, ce sont eux qui vont agir en premier et vu qu'il y a une quantité infinie de CO2 dans l'air et donc de carbonates disponibles, le pH va moins varier.

Illustration du pouvoir tampon

Voici le résultat d'un calcul où j'ai ajouté petit à petit un acide à deux eaux de mer, l'une est équilibrée avec l'atmosphère (pH de 8,4) et l'autre ne l'est pas (pH de 10,7). J'ai choisi d'ajouter de l'acide chlorhydrique, ce qui n'est pas très réaliste mais permet un exemple simple.

La composition chimique de l'eau de mer utilisée est la suivante (en g/L) :
Cl 19.350
Ca 0.411
Mg 1.290
Na 10.760
K 0.399
S (SO42-) 2.711
Si 0.006
B (B(OH)3) 0.00437
CO2 et O2 de l'atmosphère
redox pris en compte

Voici le résultat, on voit que l'eau pleine de carbonate a des variations de pH très douces car ce sont les carbonates qui vont encaisser l'ajout d'acide (courbe verte). Par contre pour l'eau sans CO2, là c'est le drame, le pH est stable au départ puis chute tout d'un coup.



Imaginons maintenant, nos deux eaux de mer au même pH initial vers 8-9. Si j'ajoute une légère quantité d'acide, voici ce qu'il se passe :



Notre solution qui a la bonne idée de contenir des carbonates a un pH qui varie très peu (courbe verte) par contre pour l'eau qui n'a pas de carbonate, la même quantité d'acide provoque une diminution très importante du pH.

C'est pour cette raison qu'un KH élevé permet de limiter les variations de pH, c'est l'effet tampon !

Voici un exemple plus proche de nos considérations :

Si le pH commence à augmenter (un ajout d'eau de chaux pour augmenter la quantité de calcium par exemple), une partie des HCO3- vont être convertis en CO32- en consommant les OH- et donc l'augmentation de pH va être limitée.

Voici l'équation de ce phénomène :
HCO3- + OH- → CO32- + H20 (1)

Si au contraire le pH commence à diminuer (des acides organiques provenant de l'activité biologique par exemple), une partie des CO32- vont consommer les H+ de cette acidification et donc limiter la baisse du pH.

Voici l'équation de cet autre phénomène :
CO32- + H+ → HCO3- (2)