De elektrische geleidbaarheid van water

De elektrische geleidbaarheid van water. Voor de meeste aquarianen geen onbekend begrip, en misschien ook niet. Voor de ene is het een belangrijke meetwaarde van het verversingswater of het water in z’n bak de ander meet het nooit. Met dit artikel geven we een korte rondleiding door deze materie.

Wat is dan het elektrisch geleidend vermogen van water?

Nou, als we door water een elektrische stroom willen laten lopen dan moet er sprake zijn van transport van elektronen. Er is dus alleen geleiding als er genoeg elektronen in het water aanwezig zijn om een elektrische stroom te laten lopen. In puur gedestilleerd water zijn erg weinig vrije elektronen aanwezig. Puur water heeft dus een zeer slechte geleiding. Het heeft een hoge elektrische weerstand.

Lossen we een stof in water op dan zal die zich splitsen in twee delen. Een positief geladen deel (kation) en een negatief geladen deel (anion). Positieve en negatieve geladen delen worden ook wel ionen genoemd. Niet alle stoffen splitsen zich in water in twee delen (ioniseren). Maar vooral zouten doen dat wel.

Bijvoorbeeld het oplossen van keukenzout, Natriumchloride: NaCl dat lost op in Natrium Na+ (kation) en Chloor Cl- (anion). Hierbij zal het neutrale Natrium (Na) in het water een negatief geladen elektron afstaan en krijgt daardoor zelf een positieve lading (daarom ook Na+). Het Chloride zal een negatief geladen elektron opnemen en krijgt daardoor een negatieve lading (Cl-). Er is dus sprake van een elektronenstroom in het water van het opgeloste Natrium naar Chloride. Nu blijven die elektronen niet continu bij hetzelfde anion maar springen heen en weer. Dit betekent dat er continu vrije elektronen in het water aanwezig zijn, en zo kan het water door die extra elektronen stroom geleiden. Hoe meer geladen deeltjes in het water (meer ionen) des te hoger de geleiding van het water. Dus hoe meer zout(en) in het water des te hoger de geleiding, en des te lager de elektrische weerstand.

De geleiding meten is zeer eenvoudig. Een kind kan de was doen…

Zetten we nu op twee plaatsen in het water een elektrode en zetten er een wisselspanning op dan zal er tussen die elektroden een stroom gaan lopen. Hoe hoger de geleiding van het water (hoe lager de elektrische weerstand) des te hoger de elektrische stroom die er tussen de elektroden zal gaan lopen. En dat is dus wat we met een geleidbaarheidsmeter meten.

Om het uiteindelijk netjes te zeggen: De geleidbaarheid is de omgekeerde waarde van de elektrische weerstand van een oplossing (water met zouten) gemeten over twee elektroden van 1 cm2 die op een afstand van 1 cm van elkaar zijn verwijderd bij 25 ‘C. Deze geleidbaarheid wordt dan in de eenheid Siemens uitgedrukt.

Invloed temperatuur op geleiding

Er staat een temperatuur van 25 ‘C genoemd bij de geleiding. Het is namelijk zo dat geleiding voor een deel ook bepaald wordt door de temperatuur. Hoe hoger de temperatuur des te hoger de geleiding. Als we dus twee geleidingsmetingen met elkaar willen vergelijken moeten beide metingen bij dezelfde temperatuur zijn uitgevoerd of we kunnen een correctiefactor toepassen volgens de onderstaande tabel.

In zoetwater is de geleidbaarheid naar verhouding erg laag en wordt de microSiemens (µS) gebruikt. In zeewater is de geleidbaarheid veel hoger en wordt er in milliSiemens (mS) gemeten.

Omdat er zo’n mooie relatie is tussen zoutgehalte en geleiding wordt soms bij zeewateraquarianen het zoutgehalte (saliniteit) van het zeewater gecontroleerd met een geleidingsmeter. Een dichtheid van 1024 kg/m3 bij 25 ‘C komt dan overeen met ca. 54,23 mS. Maar betrouwbaar is die methode zeker niet!! De dichtheid van zeewater kan nog steeds het beste bepaald worden met een aero(dichtheids)meter, of beter nog met een refractometer.

Overzicht geleidbaarheid van water

• Gedestilleerd water 1 µS
• Omkeer osmose water 20-60 µS
• Regenwater (industrie geb.) 60 µS
• Regenwater (landelijk geb.) 30 µS
• Zeewater 54 mS/cm = 54000 µS
• Rio Negro 8 µS
• Amazone gebied (gemiddeld) 8-70 µS
• Tanganyikameer 600 µS
• Drinkwater Amsterdam ca. 600 µS
• Drinkwater grenswaarde 2000 µS

Omrekening geleiding naar hardheidsgraden

Als vuistregel geldt dat 1 graad GH ongeveer overeenkomt met 35 tot 45 µS. Dit geldt alleen voor zuiver en onbelast water. Is een aquariumwater met nitraat, chloride, fosfaat en andere stoffen belast, dan kan men met deze berekening helaas, niet meer veel beginnen. Sommige ionen hebben namelijk een grotere invloed op de geleidbaarheid dan andere. De mate van invloed van een ion op de geleidbaarheid is bijvoorbeeld afhankelijk van de elektrische lading van het ion, de afmeting ervan, en de beweeglijkheid ervan (temperatuur). Aangezien vrijwel al het aquariumwater, in mindere of meerdere mate, met nitraat, chloride en fosfaten is belast, kunnen we deze omrekening naar hardheidsgraden beter achterwege laten.

Praktische toepassingsvoorbeelden

Verschillen in opgeloste zouten en dus ook verschillen in geleidend vermogen betekent eveneens verschillen in osmotische druk. Dit gegeven vindt bijvoorbeeld een praktisch gebruik bij de beoordeling van plantenbeschadiging. Een Vallisneria, die in water van 150 µS wordt gecultiveerd en in water van 600 µS wordt overgezet ondervindt problemen om dit enorme verschil zonder schade te doorstaan. Omgekeerd is het net zo moeilijk. Dit voorbeeld betreft dus zuivere onderwaterplanten, d.w.z aquariumplanten in submerse cultuur.

Niet alleen planten ook vissen ondervinden osmotische problemen bij grote verschillen in geleiding. Denk maar eens aan het verschil in opgeloste zouten tussen de bak bij de viszaak en die van thuis. Vooral liefhebbers met een zachtwaterbak met een bijbehorende lage geleiding kunnen vooral bij gevoelige vis hierbij snel in problemen komen. Dus bij het overzetten van de vis kan met een geleidbaarheidsmeter snel de geleidbaarheid van het water van de bak en van het water in het vissenzakje bepaald worden en bij grote verschillen zal men het overzetten nog geleidelijker dan normaal moeten laten gebeuren. Dit kan bijvoorbeeld mooi door de vis vanuit het zakje over te zetten in een plastic (IJs)bakje. Onder in dit bakje prikt men dan een klein gaatje en men legt een klein steentje in dit bakje. Het aquariumwater zal dan heel langzaam het bakje instromen en zo kan de vis zeer geleidelijk aan de nieuwe watersamenstelling wennen. De grootte van het gaatje en/of het gewicht van het steentje kun je dan zo kiezen dat het bv een half uur duurt voordat het bakje (bijna) zinkt.

Het kweken van vissen wordt bij een afwijking van de geleidingswaarden van de biotopen van de vis ook vaak erg moeilijk, daar de eieren bij, afwijkende waarden sterk zwellen of krimpen. In beiden gevallen zullen legsels verloren gaan. Omkeer osmose water, op het juiste geleidend vermogen ingesteld, kan dit verhelpen.

Schadelijke stoffen, zoals nitraat, worden eveneens door het meten van het elektrisch geleidend vermogen waarneembaar. In normale aquaria vindt een geleidelijke verhoging van verschillende substanties, zoals nitraat, fosfaat, chloride en andere zouten plaats. Zo kan men meten van het geleidend vermogen in vergelijking met het uitgangswater, gemakkelijk vaststellen, wanneer het tijd is voor waterverversing.

Literatuur

Handbuch Aquarienwasser door H.J.Krause
Limnology Lake and River Ecosystems door R.G. Wetzel
Aqueous Environmental Geochemistry door D. Langmuir
Aquatic Chemistry door Stumm en Morgan