KH w akwarium: dlaczego GH, KH i pH się ze sobą kłócą

KH w akwarium to twardość węglanowa, dokładniej zasadowość: miara tego, ile kwasu woda zneutralizuje, zanim pH wyraźnie spadnie. Jeden stopień KH odpowiada 0,357 milimola wodorowęglanów na litr. Samo KH nie ustawia pH, bo pH wychodzi ze stosunku wodorowęglanów do rozpuszczonego CO₂, a ten stosunek da się policzyć jednym równaniem.

Z tego równania bierze się większość „kłótni” między testami. Dwa zbiorniki mogą mieć to samo KH, ale pH 7,0 i 7,8. Zbiornik z KH 10 może mieć niższe pH niż zbiornik z KH 4. Nikt tu nie kłamie, różni się tylko ilość dwutlenku węgla.

Niżej rozpisuję, co mierzy KH, czym różni się od GH i jak z KH oraz pH policzyć CO₂. Tabelę policzyłem sam ze stałych równowagi podanych przez amerykańską służbę geologiczną USGS. To nie jest pomiar z moich zbiorników, tylko chemia do sprawdzenia kalkulatorem.

KH co to jest, czyli zasadowość pod inną nazwą

USGS w podręczniku terenowym do badania wód definiuje zasadowość jako zdolność substancji rozpuszczonych w wodzie do neutralizowania kwasu. W wodach naturalnych i wodociągowych robią to głównie wodorowęglany (HCO₃⁻) oraz węglany (CO₃²⁻). Oznacza się ją przez miareczkowanie kwasem, a USGS podaje, że punkt równoważnikowy, do którego prowadzi się miareczkowanie, leży zwykle w okolicy pH 4,5.

Test KH z kropelkami jest uproszczoną wersją tego samego działania. Dodaje się kwas ze wskaźnikiem barwnym i liczy krople do zmiany koloru. Każda kropla wnosi określoną porcję kwasu, więc liczba kropli staje się liczbą stopni.

Akwarystyczny stopień KH został po niemieckiej skali twardości. Przydają się te przeliczenia:

Wszystkie liczby w tabeli wynikają z mas molowych. Jak znaleźć zasadowość własnej kranówki w komunikacie wodociągu i przeliczyć ją na stopnie, opisałem we wpisie o twardości wody z wodociągu.

GH a KH: dwie liczby, które zwykle chodzą razem, ale nie muszą

GH zlicza kationy, czyli wapń i magnez. KH zlicza aniony, które zneutralizują kwas, głównie wodorowęglany. W wielu kranówkach oba parametry są wysokie, bo woda po drodze rozpuściła węglan wapnia. Do rury trafił wtedy i wapń, i wodorowęglan, w stałej proporcji.

Tak bywa zwykle, ale nie zawsze: wapń może zniknąć, a wodorowęglan zostanie. Zmiękczacz jonowymienny wymienia wapń i magnez na sód, natomiast wodorowęglanów nie rusza. Policzmy przykład: woda wejściowa GH 14, KH 10. Po zmiękczaczu, który zabrał większość wapnia i magnezu, zostaje na przykład GH 3 i nadal KH 10. KH jest wyższe od GH, a test nie jest zepsuty, bo w tej wodzie wodorowęglany trzyma sód, nie wapń.

Druga strona tego samego rachunku: KH obniża tylko coś, co zabiera wodorowęglany. Kwas, nitryfikacja, rośliny pobierające węgiel z HCO₃⁻, woda z odwróconej osmozy. Zmiękczacz, który zabiera tylko wapń, nie ruszy KH.

Jedno równanie, które wyjaśnia KH, pH i CO₂

Dwutlenek węgla w wodzie pozostaje w równowadze z wodorowęglanem. Związek między nimi i pH opisuje stała dysocjacji kwasu węglowego. USGS podaje dla wód słodkich w 25 °C wartość K₁ = 10⁻⁶·³⁵, czyli pK₁ = 6,35. Z tego wychodzi:

pH = 6,35 + log([HCO₃⁻] / [CO₂])

Liczę w milimolach. [HCO₃⁻] w praktyce oznacza KH × 0,357. [CO₂] w miligramach na litr trzeba podzielić przez 44,01, czyli masę molową CO₂. Po przekształceniu dostaję wzór, który mam w arkuszu jako kalkulator:

CO₂ [mg/l] = 15,7 × KH × 10^(6,35 − pH)

Przy pH 7,0 wychodzi CO₂ = 3,5 × KH. Popularna reguła „CO₂ = 3 × KH × 10^(7 − pH)” jest tym samym równaniem, tylko z zaokrągloną stałą. Różnica wynosi około 15%, co przy dokładności testu kropelkowego i tak znika.

Węglany CO₃²⁻ pomijam w tym rachunku. USGS podaje K₂ = 10⁻¹⁰·³, więc nawet przy pH 8,7 węglany stanowią mniej więcej 2,5% wodorowęglanów. W zakresie pH typowym dla akwarium roślinnego jest to błąd niewidoczny.

Tabela pH–KH–CO₂, czyli „kalkulator CO₂” w wersji do wydruku

Stężenie CO₂ w mg/l dla podanego KH i pH, policzone powyższym wzorem, w 25 °C.

Tabelę da się czytać w obie strony. Przy KH 10 i pH 7,0 w wodzie jest około 35 mg/l CO₂. Przy KH 4 i tym samym pH tylko 14. Ustawianie CO₂ „na pH 7” bez znajomości KH może dać pomyłkę dwu- albo trzykrotną.

W drugą stronę działa tak samo. Jeśli cel to 25 mg/l CO₂, przy KH 4 trzeba zejść do pH około 6,75. Przy KH 10 wystarczy około 7,15. Cel jest ten sam, ale odczyt na pehametrze inny.

W zbiorniku bez butli zastosowanie jest inne i moim zdaniem bardziej użyteczne. Rośliny w dzień zabierają CO₂, a ryby i bakterie oddają go w nocy. Przy stałym KH każda zmiana CO₂ pokazuje się jako zmiana pH. Jeśli przy KH 10 pH rano wynosi 7,2, a wieczorem 7,8, to w ciągu dnia ubyło w wodzie z około 22 do niecałych 6 mg/l CO₂. Dobowe wahanie pH nie jest więc usterką, tylko odczytem pracy roślin.

Kranówka po dobie w wiadrze: KH to samo, pH inne

W technicznej notce USGS jest zdanie wyjaśniające częsty problem. Zasadowość mierzy się względem roztworu CO₂ w wodzie, dlatego nie zależy od wymiany CO₂ między próbką a atmosferą. Wymiana gazów zmienia natomiast stężenia poszczególnych form, na przykład wodorowęglanu.

Po ludzku: gdy CO₂ ucieka z wody do powietrza, KH stoi w miejscu, a pH rośnie.

Ile CO₂ zostaje w wodzie wyrównanej z powietrzem, liczę z prawa Henry'ego. NIST podaje stałą rozpuszczalności CO₂ w wodzie w 25 °C około 0,034 mol/(kg·bar). NOAA podaje średnie globalne stężenie CO₂ w atmosferze za 2025 rok: 425,6 ppm. Iloczyn daje około 0,0145 mmol/l, czyli 0,64 mg/l CO₂. Tyle ma woda, która długo stała w otwartym naczyniu.

Wstawiam to do równania:

Weźmy kranówkę o pH 7,6 i KH 10. Z tabeli wyżej wynika, że płynie z kranu z około 9 mg/l CO₂. To kilkunastokrotny nadmiar wobec powietrza. Po dobie w otwartym wiadrze część tego gazu uleci, a pH pójdzie w górę, w kierunku 8,7. Dlatego pH kranówki mierzone prosto z kranu i pH tej samej wody po dniu stania to dwie różne liczby i nie ma w tym błędu testu.

Twardość wody a pH: związek jest, ale nie ten, o którym się mówi

Zdanie „twarda woda ma wysokie pH” jest prawdziwe tylko przypadkiem. GH, czyli wapń i magnez, nie wpływa bezpośrednio na pH. Wpływa KH, które w polskich kranówkach zwykle idzie razem z GH, bo oba pochodzą z tego samego węglanu wapnia.

Woda po zmiękczaczu z przykładu wyżej ma GH 3, KH 10 i pod względem pH zachowa się jak woda twarda. Woda z dużą zawartością siarczanu wapnia może mieć wysokie GH i niskie KH, a wtedy pH będzie łatwo spadać. Dlatego przy pytaniu o pH patrzę na KH, a GH zostawiam do pytania o wapń dla roślin i krewetek. Ten temat opisałem we wpisie o twardej wodzie w akwarium.

Jakie KH w akwarium, także roślinnym

Nie podam jednej liczby, bo nie widzę jej w źródłach, którym ufam. Mogę podać wniosek z chemii.

KH jest buforem. Jeden stopień zneutralizuje 0,357 mmol kwasu na litr. Kwas w akwarium powstaje stale: z nitryfikacji, z rozkładu resztek, z CO₂. Nitryfikacja potrafi zjeść kilka stopni KH w ciągu kilku tygodni. Ten rachunek rozpisałem we wpisie o cyklu azotowym.

Co to robi z pH, pokazuje to samo równanie. Dodaję do wody o pH 7,6 porcję mocnego kwasu, 0,1 mmol/l, i zakładam, że powstały CO₂ zostaje w wodzie. Przy KH 10 pH spada do 7,4. Przy KH 2 spada do 7,0. Ta sama porcja kwasu, trzy razy większy skok. Przy KH 1 zapas buforu kończy się po kilku takich porcjach, a dalej pH leci szybko.

W zbiorniku roślinnym bez butli wodorowęglany mają jeszcze jedną funkcję: część roślin potrafi pobierać z nich węgiel. O tym jest wpis o roślinach bez CO₂. Zakresy dla konkretnych gatunków ryb biorę z FishBase, nie z tabel sklepowych.

Wysokie KH, powiedzmy 12–15 °dKH, jest najpierw informacją o twojej kranówce, nie usterką. Konsekwencja jest jedna: pH trudno obniżyć, bo każda porcja kwasu zostanie zbuforowana. Dlaczego „pH minus” wraca następnego dnia, rozpiszę w osobnym tekście o obniżaniu pH.

Jak podnieść KH w akwarium i co przy tym rośnie

KH podnosi wszystko, co wnosi wodorowęglany albo węglany. Najprostszy rachunek dotyczy wodorowęglanu sodu, czyli sody oczyszczonej. Masa molowa NaHCO₃ to 84,0 g/mol. Jeden gram w 100 litrach wody daje 0,119 mmol/l wodorowęglanu, czyli 0,33 °dKH.

Z tego samego rachunku widać ograniczenie sody: nie podniesie GH, bo nie wnosi wapnia ani magnezu. Doda za to sód. Jeśli potrzebne są i KH, i GH, to węglan wapnia rozpuszcza się w wodzie słabo oraz powoli, a kruszywa wapienne podnoszą oba parametry stopniowo. Tych ostatnich nie umiem policzyć, bo tempo rozpuszczania zależy od CO₂ w wodzie i powierzchni ziaren.

Nie podaję schematu „ile łyżeczek na tydzień”. Każda zmiana KH o kilka stopni naraz zmienia pH, a z tabeli wyżej widać skalę. Robi się to małymi krokami i z testem w ręku.

Gdzie ta tabela kłamie

Uczciwie: w trzech miejscach.

Po pierwsze, równanie zakłada, że jedynym kwasem ustawiającym pH jest CO₂. USGS wymienia wśród innych składników zasadowości kwasy organiczne, fosforany i inne jony. W zbiorniku z korzeniami, liśćmi dębu albo torfem są w wodzie kwasy humusowe, więc wtedy tabela zawyży CO₂. Przy dużych dawkach buforów fosforanowych w nawozach będzie podobnie.

Po drugie, pK₁ = 6,35 dotyczy 25 °C i wody rozcieńczonej. W 22 czy 26 °C stała różni się o setne części, co w praktyce ginie w dokładności testu kropelkowego. Poprawki na siłę jonową pomijam z tego samego powodu.

Po trzecie, test KH mierzy zasadowość ogólną, a nie same wodorowęglany. W typowej wodzie wodociągowej to prawie to samo. W wodzie z dużą ilością innych zasad już nie.

W żadnym z tych przypadków tabela nie traci przydatności. Traci dokładność, a tę różnicę warto znać, zanim zacznie się poprawiać zbiornik o pół stopnia KH.

Źródła

1. Rounds S.A. (rewizja), Alkalinity and Acid Neutralizing Capacity, rozdz. A6.6 w: National Field Manual for the Collection of Water-Quality Data, U.S. Geological Survey, TWRI Book 9, wersja 4.0, wrzesień 2012 — pubs.usgs.gov. Definicja zasadowości, wodorowęglany i węglany jako główne składniki, punkt równoważnikowy w okolicy pH 4,5, niezależność zasadowości od wymiany CO₂ z atmosferą, stałe K₁ = 10⁻⁶·³⁵ i K₂ = 10⁻¹⁰·³ dla wód słodkich w 25 °C.
2. NIST Chemistry WebBook, SRD 69, Carbon dioxide, dane o rozpuszczalności w wodzie (prawo Henry'ego): k°H około 0,034 mol/(kg·bar) w 298,15 K — webbook.nist.gov.
3. NOAA Global Monitoring Laboratory, Trends in Atmospheric Carbon Dioxide, średnia globalna roczna za 2025 r.: 425,6 ppm — gml.noaa.gov.
4. Froese R., Pauly D. (red.), FishBase — fishbase.org. Zakresy pH i twardości dla gatunków ryb.