De KH en de GH

De KH en de GH. Welke aquariaan heeft er nou niet van gehoord?
Ik denk bijna iedereen wel eens. Op deze pagina gaan we er eens wat dieper op in want er valt nog aardig wat over te vertellen.

De KH en GH zijn eigenlijk afkortingen.

KH	Carbonaat hardheid	afkorting uit het Duits  Karbonat Härte
GH	Totale hardheid	afkorting uit het Duits  Gesamt Härte

De totale harheid, GH

De totale hardheid geeft het totaal van alle in het water opgeloste Aard-alkali ionen weer.
Aard-alkali ionen zijn hierbij ionen als:

• Calcium
• Magnesium
• Strontium
• Barium
• Beryllium
• Radium

De Carbonaat hardheid, KH

De carbonaathardheid geeft aan hoeveel carbonaat (CO₃^2-) en bicarbonaat (HCO₃^-) ionen in het water aanwezig zijn. Hoe meer carbonaat en bicarbonaat ionen des te groter de KH. De carbonaathardheid wordt ook wel de alkaliteit genoemd. Hoe meer carbonaat/bicarbonaat aanwezig is, des te alkalischer het water.

Een optelsom

We zagen dat de GH het aantal aardalkali ionen weergeeft. De KH geeft het aantal (waterstof)carbonaat ionen weer. Nou willen die carbonaat ionen zich graag verbinden met de aardalkali ionen. Maar niet alleen carbonaten binden aan die aardalkali ionen. Ook andere stoffen als sulfaten, fosfaten e.d. kunnen aan de aardalkali ionen binden.

We kunnen dan ook schrijven:

GH = KH + NKH Totale hardheid = Tijdelijke hardheid + Permanente hardheid Aantal Aardalkali ionen als Ca2+, Mg2+ = Aantal (waterstof)carbonaat ionen HCO3-, CO32- + Overige Ca2+, Mg2+ ionen gekoppeld aan ionen als SO42-, Cl-, PO42-

De KH is geen blijverdje

De KH wordt ook wel de tijdelijke hardheid genoemd. Er geldt namelijk:

GH = KH + NKH Totale hardheid = Tijdelijke hardheid + Permanente hardheid

Als we nou water gaan koken dan vallen de carbonaten uit elkaar. Voor de uitpluizers, die vergelijkingen zien er dan zo uit:
1.   2HCO₃^- >> CO₃^2- + CO₂ + H₂O     En CO₃^2- valt dan weer verder uiteen als:
2.   CO₃^2- + H₂O >> 2 OH^- + CO₂

We zien dus dat door koken de KH helemaal wordt afgebroken. Er zijn geen carbonaten meer in het water, geen CO₃^2- en ook geen HCO₃^-. En omdat door koken de KH helemaal afgebroken kan worden wordt ie dus ook wel de tijdelijke hardheid genoemd.

Maar helemaal volledig ben ik nog niet. Reaktie 2. verloopt namelijk alleen maar onder hoge drukken en temperaturen. Als wij aquarianen water gaan koken komen we niet verder dan reaktie no. 1. We houden dus nog carbonaat, CO₃^2-, in het water.

Wat gebeurd er dan nog meer bij het koken, nou de temperatuur stijgt, logisch he? Maar dat heeft ook als gevolg dat er minder kalk in het water kan oplossen. En die kalk zal dan neerslaan. We zagen al dat er door koken CO₃^2- is gevormd uit het HCO₃^-. Calcium en het carbonaat reageren dan met elkaar volgens de reaktie:
Ca²⁺ + CO₃^2- >> CaCO₃
Dit CaCO₃ slaat dan neer, er ontstaat ketelsteen, een witte aanslag die je ook wel kunt tegenkomen in het koffiezet apparaat of op het verwarmingselement van de wasmachine.

Zo zou je dus eigenlijk door koken het water kunnen ontharden. Energetisch een dure oplossing, maar het kan wel.

De permanente hardheid, en een optelsom die niet klopt!

De totale en de tijdelijke hardheid kennen we nu wel. Maar wat is dan de permanente hardheid?
De permanente hardheid staat ook wel bekend als NKH (Nicht Karbonat Härte). Dit is de hardheid (aantal Calcium en Magnesium ionen) die er over blijft nadat het water gekookt is. Maar alle kalk was bij het koken toch neergeslagen als CaCO₃?
Errr....nou dat hoeft niet zo te zijn. Even een paar voorbeelden ter verduidelijking.

In een viertal aquaria hebben we een aantal stoffen zitten in verschillende verhoudingen. We gaan eens kijken wat er gebeurd

Bij situatie 1 en 3 zijn het aantal (waterstof)carbonaat en het aantal calcium/magnesium ionen gelijk. Er is een evenwicht en de KH is gelijk aan de GH. In situatie 2 is de KH is kleiner dan de GH. Deze situatie komt in de praktijk ook het meeste voor. Het betekend dus gewoon dat er meer Ca²⁺ en Mg²⁺ aanwezig is dan CO₃^2- en HCO₃^-.

Situatie 4 is een lastige! Er is meer CO₃^2- aanwezig dan Ca²⁺ en Mg²⁺. en dit betekent dus dat de KH groter zou moeten zijn dan de GH. Dat kan toch eigenlijk niet? Nou in de praktijk kan het dus wel degelijk zoals we in dit voorbeeld zien. Maar dan zou er dus een negatieve permanente hardheid uit de formule komen? (NKH=-50) om het weer kloppend te maken.

Er is dus iets niet goed...Daar is gelukkig wat op gevonden. Als we namelijk de definities van KH en GH zoals onder opstellen dan klopt het allemaal weer wel.

Even terug naar het laatste voorbeeld:

50 Na+ ionen   50 Ca2+ ionen   100 CO32- ionen

Volgens de laatste definitie hebben we dan:

GH 50 = = KH 50 + + NKH ...

Er zijn dus 50 CO₃^2- ionen die Ca²⁺ als een tegenpool hebben. Dus volgens de laatste definitie is de KH dus geen 100 maar 50. En onze optelling klopt dus nog!! Maar let wel....ons testsetje meet gewoon de volle 100 en die zit er ook echt in. De KH kan in de praktijk dus wel degelijk groter zijn dan de GH. Wie zei daar dat chemie simpel is??

KH groter dan GH, kan wel of kan dat niet?

Het kan wel, de KH die we meten kan wel degelijk groter zijn dan de GH.

De verwarring wordt dus vooral veroorzaakt door de definities

De definitie van de KH zegt: " De KH is het aantal bi(carbonaat) ionen gekoppeld aan de aanwezige aardalkali-ionen."
En volgens die definitie zal de KH nooit groter zijn dan de GH.
Maaaaarrrr....een testsetje meet ALLE bi(carbonaat) ionen en niet alleen die gekoppeld zijn aan een aardalkali-ion. (Hoe moet zo'n setje dat ook weten?)

Het probleem zit hem dus in het feit dat een testsetje ALLES meet en dat dat vervolgens de KH wordt genoemd. Volgens de definitie is de KH echter een kleiner deel.

Eigenlijk kunnen we ook beter de naam KH laten vallen, omdat we die niet meten. We kunnen beter spreken over het zuurbindend vermogen. Want dat is wat het KH testsetje meet. Er wordt bepaald hoeveel H⁺ ionen er nodig zijn om de (bi)carbonaten af te breken, dus hoeveel zuur het kan binden. Helaas is het begrip KH zo vast ingeburgerd dat het nog wel een tijd zal duren voor het begrip Zuurbindend vermogen is ingeburgerd. Als het al ooit zover komt.

Hoe de KH en GH onafhankelijk van elkaar te beinvloeden zijn

Zo tussen de regels door kon je in het stukje hierboven al wel lezen dat de KH en GH onafhankelijk van elkaar zijn te beinvloeden. (Da's niet altijd zo, maar alleh!, een keer generaliseren mag.) We zullen dat met wat voorbeelden proberen duidelijk te maken hoe je door verschillende stoffen toe te voegen de GH en KH onafhankelijk kunt beinvloeden. Het principe is simpel....
Toevoegen van aardalkalien verhoogt de GH
Toevoegen van (bi)carbonatien verhoogt de KH
Toevoegen van andere stoffen heeft geen invloed op de KH of GH

Zo, nu kun je dus meteen nagaan wat er in de potten GH-plus en KH-plus zou kunnen zitten!

^* Door toevoegen van OH^- zal CO₂ en OH^- kunnen reageren tot HCO₃^- daardoor stijgt de KH indirekt toch nog.

De Eenheden voor de hardheid, een mooie janboel

Nou van nationalisme is bij de GH/KH eenheden zeer zeker sprake! De Engelsen waren er destijds, als DE leidende industriele natie, als eerste bij en introduceerden de Engelse Hardheidsgraad. De zoals altijd eigenwijze Fransen zagen maar niks in die Engelse eenheid en introduceerden hun eigen eenheid, waarna de Duitsers niet achter konden blijven. De Amerikanen deden het nog weer anders en drukten het uit in mg/ltr CaCO₃ of in US degrees. Nou dan is de verwarring compleet. De verschillende eenheden uit al die landen kennen de onderstaande definities, en zo zie je ook meteen hoe andere lokale eenheden van invloed zijn. Grain Calcium Carbonate per Imperial gallon.....Klinkt toch prachtig nietwaar?

Gelukkig is e.e.a. nog wel in elkaar om te rekenen en daarvoor kan ook de hardheidscalculator op deze site gebruikt worden. Tegenwoordig gebruiken we in europa meestal de Duitse Hardheid (DH).

Omrekeningstabel voor de GH

Even wat voorbeelden:
Water met een GH van 12 Duitse Hardheid heeft 12x0,18 = 2,16 mmol/ltr aan aardalkali ionen en 12x1,78 = 21,36 graden Franse hardheid.
Water met een CaCO3 gehalte van 200 ppm (is hetzelfde als 200 mg/ltr) heeft een Duitse Hardheid van 200x0,056 = 11,2 DH

De GH van verversingswater voor een aquarium is 8 en bestaat (op molaire basis) voor 80% uit calcium en voor 20% uit magnesium.
Hoeveel mg/ltr Ca²⁺ en hoeveel Mg²⁺ zit erin?
Er zit in totaal dus 8x0,18= 1,44 mmol/ltr aan aardalkali ionen in
Daarvan is dus 80% Calcium, de molaire massa van calcium is 40 milligram/millimol. Er zit dus 0,8x40x1,44= 46,1 mg/ltr Ca²⁺ in.
De molaire massa van magnesium is 24,3 mg/mmol. Er zit dus 0,2*24,3*1,44 = 7,0 mg/ltr Magnesium in het water.

Hieronder is dan nog even een GH-schaal weergegeven in graden Duitse Hardheid. Voor verschillende typen aquaria zijn hierbij de vaak voorkomende GH-waarden weergegeven.Ook is te zien of we te maken hebben met hard of zacht water. Water met een GH van 3 noemen we zeer zacht. Water met een GH van 18 noemen we hard.

Omrekeningstabel voor de KH

Ook nog wat voorbeelden:
Water met een KH van 2 graden Duitse Hardheid heeft 2x21,8 = 43,6 mg/ltr aan HCO₃^- in het water zitten
Water met een Zuurbindend vermogen (ZBV) van 3 mmol/ltr heeft een KH van 3x2,78= 8,34

Op de KH-schaal hieronder (in graden duitse Harheid) zijn de waarden voor verschillende typen aquaria weergegeven. Wat opvalt is dat bij een tanganjika aquarium de KH groter is dan de GH. Een typische waterwaarde voor dit Afrikaanse meer.

Het meten van de GH

Hoe werkt nu zo'n GH druppeltest? Nou, eigenlijk aardig simpel.

Het druppeltje uit de GH test bestaat uit twee stoffen:

• Een indikatorstof, deze verbind zich met de Ca²⁺ en Mg²⁺ en kleurt het water rood of blauw.
• Een chelator als bijv. Na-EDTA. Deze chelator neemt het Ca²⁺ en Mg²⁺ op en geeft Na⁺ weer af. Het Ca²⁺ en Mg²⁺ wordt dus opgenomen en als alles is omgezet slaat de kleur om. Het aantal druppels EDTA dat nodig is om de kleur om te laten slaan is dan een maat voor de GH.

Een druppel komt overeen met één GH. De meting is redelijk betrouwbaar vanaf een GH van 3-4 en hoger. Eronder wordt e.e.a. zeer onnauwkeurig. Daarvoor zijn testsetjes beschikbaar met aparte flesjes voor de indicatorvloeistof en de EDTA.

Het meten van de KH

Het meten van de GH was simpel. Het meten van de KH is dat eigenlijk ook maar kent wat haken en ogen.

De KH testset bestaat ook weer uit twee stoffen, die kunnen beide in een flesje zitten of elke stof apart in een flesje (die laatste, zoals de KH-test van Salifert, zijn een stuk nauwkeuriger). De werking is als volgt:

• Een pH-indikator wordt toegevoerd, deze kleurt het water bijvoorbeeld blauw maar slaat vanaf een bepaalde pH (meestal pH=4,3) ineens van kleur om (bijv. naar rood/roze)
• Door zoutzuur (HCl) bij het water in te druppelen wordt eerst het carbonaat wat deel van de KH uitmaakt omgezet. Dit volgens CO₃^2- + H⁺ >> HCO₃^-
  We druppelen door en het waterstofcarbonaat wordt nog verder omgezet volgens:
  HCO₃^- + H⁺ >> H₂CO₃
  Het H₂CO₃
  valt dan uit elkaar in CO₂ en H₂O
  De KH wordt zo langzaam weggedruppeld en door de lage KH daalt ook de pH. Wanneer de pH nu onder de 4,3 komt slaat de kleur om. Het aantal druppels dat nodig is om de KH af te breken om een pH van 4,3 te halen is dan een maat voor de KH waarde

Beinvloeden turf en fosfaten de KH meting??
Eindelijk de waarheid boven water

Nou da's dan heel mooi, die KH meting door met zoutzuur de KH af te breken en het aantal druppels zoutzuur te tellen, maar de werkelijkheid is wat gecompliceerder. Want zoutzuur breekt nog meer af dan alleen HCO₃^- of CO₃^2-. Ook fosfaten worden zo aangepakt. Gooien we fosfaatzuur in erg basisch water (met een erg hoge pH) dan zal het fosforzuur direct uit elkaar vallen in PO₄^3- en in H⁺. Hoe lager de pH des te meer H⁺ des te beter blijven de binding van de protonen (H⁺) aan het fosfaat ion. Even als voorbeeld.

Het zal duidelijk zijn dat het zoutzuur dus niet alleen wordt gebruikt om het carbonaat mee af te breken maar ook om fosfaat om te zetten. Hebben we dus veel fosfaat in het water dan zijn er meer druppels nodig om de kleur om te laten slaan. Als we dus veel fosfaat in het water hebben zitten dan meten we een hogere KH dan er eigenlijk aanwezig is. En zegt men dan.... omdat de KH meting niet meer klopt dan kun je ook geen CO₂ berekeningen meer toepassen.

In theorie klopt dat en op sommige fora is er veel over gesproken. Je CO2 tabellen zouden niet meer gelden, etc. Is dat in de praktijk ook werkelijk zo?   We rekenen het eens na.

In de grafiek van het fosfaat zien we dat de pH grote invloed heeft in welke vorm het voorkomt. Bij de KH meting verlagen we de pH tot 4,3 waarbij de KH omslaat.

Bij een pH van 4,3 zien we dat bijna 100% van het fosfaat als H₂PO₄^- voorkomt (De zwarte lijn in de grafiek).

We gaan nu eens het eens kijken hoeveel de KH meting door 1 mg/ltr fosfaat wordt beinvloed bij water met een pH van 7,1 en van 9,8. Die pH waarden zijn niet zomaar gekozen. Bij pH=7,1 hebben we 50% H₂PO₄^- en 50% HPO₄^2- Bij pH=9,8 hebben we 100% aan HPO₄^2-

Bij een pH van 7,1 hebben we twee vormen van fosfaat: H₂PO₄^- en HPO₄^2- Wanneer we de pH naar 4,3 brengen dan veranderd alleen de laatste HPO₄^2- naar H₂PO₄^- De helft van het aanwezige fosfaat beinvloed dus maar de KH meting. De rest niet.

1 mol HCO₃^- weegt 61 gram
0,0052x61= 0,32 mg/ltr HCO₃^-
Er geldt 1 dKH = 21,8 mg/ltr HCO₃^-
We hebben door het fosfaat dus 0,32/21,8 = 0,015 graden KH teveel gemeten. Nou bijzonder veel dus.....Ahum!!!

Kijken we nu even bij een pH van 9,8 Ook weer met 1 mg/ltr fosfaat
In het vorige voorbeeld hadden we bij een pH=7,1 0,5 mg/ltr aan HPO₄^2- Dat wordt nu dus 100%
We hebben dus 1 mg/ltr aan HPO₄^2-.
Bij deze hogere pH wordt de meting dus dubbel zoveel beinvloed, namelijk met 0,030 graden KH. Ook te verwaarlozen.
Fosfaat in anorganische vorm speelt dus alleen bij zeer hoge concentraties een rol bij de KH meting. Bij 10 mg/ltr en een neutrale pH is er nog maar een afwijking van 0,15 graden.

Met andere woorden.....verhalen over foute KH meetwaarden door fosfaten.....heel mooi, maar neem ze met een korrel zout, ehhh, korrel fosfaat. Het effect is verwaarloosbaar.

GH en geleidbaarheid

Laten we het even kort houden. De GH en de geleidbaarheid. Daar is zeker een relatie tussen.

Immers alle ionen die in water aanwezig zijn dragen bij aan een hogere geleidbaarheid. Dat geldt zelfs voor de H+ en OH- ionen in het water.

Toch kunnen we niet zeggen "Als we een GH van 8 hebben dan hoort daar een bepaalde geleidbaarheid bij". Want de GH is alleen maar een maat voor het aantal Ca2+ en Mg2+ ionen. Maar er zit nog veel meer dus in het water.

Als er alleen sprake zou zijn van Ca2+, Mg2+ en de bijbehorende carbonaationen dan nog is het lastig te zeggen. De geleidbaarheid van Calcium is namelijk anders dan die van Magnesium. Maar algemeen kunnen we zeggen dat een richtwaarde van 35 uS/cm een goed te hanteren waarde is. Hierbij gaan we dan uit van 100% Ca²⁺ en Co₃^2-. Meten we hogere waarden dan zijn andere ionen hiervoor verantwoordelijk. Bijvoorbeeld als we een GH hebben van 8 dan zal de geleidbaarheid van het water niet lager zijn dan 280 uS/cm. Andersom is lastiger, meten we een waarde van 250 uS/cm dan kan de GH best wel 0 wezen!

Over Calcium en fosfaten enne....