Corrélations entre pH, dureté carbonatée et CO2

Tous le monde n'étant pas ingénieur chimiste, j'ai décidé d'écrire ce petit article pour expliquer quelques notions importantes à connaître dans le but d'obtenir les valeurs de pH, KH et taux de CO2 souhaitées pour la faune et la flore de son aquarium. Il faut d'abord savoir qu'il est parfaitement possible d'imposer ces paramètres à partir du moment ou l'on dispose d'un moyen pour injecter du CO2 et d'eau pure (osmosée par exemple) ou au moins d'une eau dont la dureté est connue (et satisfaisante).

Avec quelques connaissance de chimie (niveau lycée), on peut démontrer assez facilement l'équation de "Henderson-Hasselbach" qui est la suivante pH = 6,37 + log ([HCO₃-]/[H₂CO_3]). La démonstration peut être consultée sur ce site (il est en anglais mais des équations chimiques ça se comprend dans toutes les langues...).

[H₂CO₃], la concentration en acide carbonique est une autre façon d'écrire le taux de CO2 dissous dans l'eau (en réalité on a CO2 + H2O --> H2CO3). En utilisant la dureté carbonatée (KH) qui est reliée à la concentration en ion HCO3^-, on obtient aisément (il suffit d'utiliser les masse moléculaire du CO2 et des ions hydrocarbonates) l'équation suivante : pH = 6.37 + log ( (12.839 x KH) / txCO2 ) avec txCO2 en mg/L ou ppm. On peut simplifier cette équation en faisant quelques arrondis, ce qui donne (taux de CO2 en mg/L et KH en degrés allemands) :

CO2 = 3 x KH x 10^(7-pH)

C'est cette formule qui est utilisée pour produire les fameux tableaux "pH-KH-CO2" (il suffit de calculer le taux de CO2 pour des valeurs de pH et KH choisies) comme celui ci-dessous qu'on trouve souvent dans les articles consacrés à l'aquariophilie. On peut lire aisément la valeur de CO2 en fonction des paramètres pH et KH.

Les cases vertes correspondent aux valeurs acceptables pour un aquarium standard (entre 10 et 30 mg/L de CO2). Attention ces tableaux ne sont pas valables si certains acides ou bases (autres que des ions OH- et H3O+) sont ajoutées dans l'aquarium, il s'agit en particulier de l'acide humique souvent introduit par un filtrage sur tourbe (utilisé pour acidifier l'aquarium).

On vérifie également avec ce tableau le fameux pouvoir tampon d'une eau dure (KH élevé). En effet, on peut lire par exemple qu'il faut 30 mg/L de CO2 pour obtenir un pH de 6,3 avec une eau dont la dureté est de 2 °dH alors qu'il faudrait 151 mg/L de CO2 pour obtenir le même pH avec une eau à 10° dH !
En clair, plus la dureté (KH) de l'eau est élevée, plus il faut de CO2 pour modifier le PH, l'eau dure joue donc le rôle de "tampon" (ce qui a l'avantage de stabiliser le pH mais aussi l'inconvénient d'empêcher d'ajuster le pH simplement avec le CO2 puisqu'il n'est évidemment pas possible d'introduire des quantités trop importantes de gaz sous peine de tuer les poissons).

Pour le cas de notre aquarium, nous visons une dureté carbonatée d'environ 3 °dH adaptée à la maintenance de discus. Obtenir cette dureté précise sera possible en utilisant l'eau osmosée (ayant une dureté proche de 0° dH) dans de bonnes proportions avec l'eau de conduite. La dureté de l'aquarium est de 6° dH actuellement (100% eau de conduite).
Un taux de 20mg/L de CO2 (voir billet précédent) permettra donc d'obtenir un pH d'environ 6,5 ce qui est la valeur recherchée car bien adaptée aux poissons et aux plantes introduites dans l'aquarium, même si faune et flore ont la capacité de s'adapter dans une certaine mesure (le pH actuel est de 7,5). Par ce petit exemple, on comprend bien l'intérêt d'utiliser de l'eau osmosée pour diminuer la dureté dans un aquarium de type amazonien fortement planté et lorsqu'on utilise du CO2. En effet, la valeur de pH associée à une dureté de 6 (eau de conduite de Nancy) et un taux de 20mg/L de CO2 est de 7, ce qui est moins adapté à la faune amazonienne (on peut acidifier le milieu en introduisant certaines racines ou de la tourbe).

Evidement tous ces calculs sont théoriques et peuvent être un peu différents de la pratique, notamment si l'eau contient certaines substances (acides, ions sodium...) en quantité importante (assez peu probable). Il faut aussi tenir compte de la fiabilité des mesures (pH, KH...) qui n'est pas extraordinaire avec les indicateurs colorés pour aquariophilie (en particulier le KH qui est déterminé indirectement par la mesure des ions HCO3-).