Soluzioni NPK - come somministrare in modo fai-da-te i macroelementi agli acquari di piante
Su Aquagarden, il bellissimo web-magazine riguardante il mondo degli acquari di piante è stato pubblicato un mio articoletto riguardo a come preparare le soluzioni nutritive che apportano azoto, fosforo e potassio. In questo articolo cerco di spiegare i concetti molto elementari di chimica che sono necessari per fare i conti riguardo a come dosare i vari sali (KNO3,KH2PO4,K2SO4) che apportano azoto, fosforo e potassio ed il metodo con cui si effettuano i conti, metodo che può essere esteso a qualunque altro sale.
http://www.aquagarden.it/articoli/54_soluzioni.asp
riporto il documento:
Preparazione delle soluzioni NPK
Capita spesso che nel forum di Aquagarden i nuovi arrivati propensi al fai-da-te chiedano spiegazioni riguardo a come preparare e dosare le varie soluzioni nutritive per le piante dell'acquario.
In questo articolo cercherò di spiegare come preparare le soluzioni NPK, cioè quelle che forniscono i macronutrienti azoto N, fosforo P e potassio K.
Una volta capito il metodo con cui preparare queste soluzioni non avrete difficoltà nel preparare, procedendo allo stesso modo, le altre soluzioni che possono essere utili per la fertilizzazione delle nostre amate piante acquatiche.
I vari sali utilizzati, in acquari di grosse dimensioni, possono essere dosati direttamente in polvere mentre in acquari di dimensioni più piccole può essere comodo diluirli con acqua (distillata o d'osmosi) in modo da preparare soluzioni semplici da dosare.
In questo articolo non voglio indicare quali siano i dosaggi corretti degli elementi NPK ma solo come preparare le soluzioni per dosarli.
Per i dosaggi da somministrare vi consiglio di leggere gli articoli di Roberto Moretti pubblicati qualche mese fa su questa rivista, l'Articolo di Conlin e Sears riguardo al PMDD e lo scritto in cui Tom Barr introduce l'extimative index:
L'articolo introduttivo (in italiano) riguardo all'Extimative Index:
http://www.acquariofacile.it/forum/topic.asp?TOPIC_ID=2401
I dosaggi previsti dall'Extimative Index (in inglese):
http://www.barrreport.com/forums/showthread.php?t=2062
L'introduzione al PMDD di Conlin e Sears:
http://www.gapnapoli.org/dolce/articoli/pmdd.htm
Vediamo ora alcuni concetti necessari per la preparazione di queste soluzioni:
Le unità di misura:
| grandezza misurata | unità di misura | simbolo |
| volume | metro cubo | m^3 |
| capacità | litro | l |
| peso (o più propriamente massa) | grammo | g |
| temperatura | grado centigrado o Celsius | °C |
Multipli e Sottomultipli (più usati)
| prefisso | simbolo | fattore moltiplicativo |
| micro- | μ | 1/1000000 |
| milli- | m | 1/1000 |
| centi- | c | 1/100 |
| deci- | d | 1/10 |
| chilo- | K | 1000 |
ad esempio: un millilitro (ml) è un millesimo di litro mentre un chilogrammo (Kg) equivale a mille grammi.
Per le misure di volume se si usano multipli e sottomultipli il fattore moltiplicativo va elevato al cubo.
Ad esempio: un cm^3 è un m^3*(1/100)^3= 1/1000000 di un m^3.
Il volume di un decimetro cubo (dm^3) equivale alla capacità di un litro (l)
ppm e mg/l
Fra i primi concetti che si devono apprendere per il corretto dosaggio dei vari sali ci sono quelli di ppm e mg/l.
Un ppm è una parte per milione. Quindi un milligrammo è un ppm rispetto ad un chilogrammo, un microlitro è un ppm rispetto ad un litro e così via. Impropriamente, dato che un litro di acqua pesa circa un chilogrammo si usa indicare come ppm un milligrammo rispetto ad un litro (mg/l).
Quindi se vogliamo ad esempio aggiungere 0,1ppm di ferro significa che, per ogni litro di acqua dell'acquario, vogliamo aggiungere 0,1mg di ferro (non 0,1ml di una soluzione che contiene ferro!!!)
Anche se nei forum spesso si usa indicare le concentrazioni in ppm sarebbe più corretto indicarle in mg/l.
Cosa sono atomi e molecole?
Gli atomi sono i mattoncini con cui è composta tutta la materia.
Gli atomi sono composti da un nucleo in cui è concentrata la quasi totalità della massa (peso) dell'atomo stesso e da una nube di elettroni che si muove attorno al nucleo.
Il nucleo dell'atomo è composto da protoni e da neutroni.
I protoni hanno carica elettrica positiva mentre gli elettroni hanno carica elettrica negativa. I neutroni non sono dotati di carica elettrica.
A meno del segno la carica elettrica del protone è la stessa di quella dell'elettrone.
La massa del neutrone è leggermente maggiore di quella del protone mentre gli elettroni hanno una massa molto più piccola.
Il nucleo degli atomi è indivisibile a meno di reazioni nucleari che avvengono sulla terra solo nel caso di esplosioni di bombe atomiche o all'interno dei reattori delle centrali nucleari a fissione.
Gli atomi di elementi diversi si differenziano per il numero di protoni contenuti nel loro nucleo (numero atomico); ad esempio l'idrogeno ha un protone, il carbonio ne ha 6 e l'ossigeno ne ha 8.
Gli atomi di elementi diversi hanno pesi atomici differenti. Il peso atomico è il peso di un singolo atomo.
Potete trovare una tabella completa con i vari elementi, i rispettivi numeri atomici e pesi atomici a questo indirizzo: http://www.minerva.unito.it/Chimica&Industria/IUPACHTML/ManualeIUPAC62.htm
Gli atomi sono elettricamente neutri cioè hanno lo stesso numero di protoni e di elettroni tuttavia possono perdere alcuni degli elettroni più esterni acquisendo una carica positiva (ad esempio Ca++ oppure K+) oppure possono acquisire degli elettroni da altri atomi acquisendo una carica negativa (ad esempio Cl-).
Gli atomi si aggregano fra loro formando strutture energeticamente più stabili dette molecole.
Come gli atomi anche le molecole possono essere elettricamente neutre cioè non essere dotate di carica elettrica oppure possono essere dotate di carica elettrica.
Un atomo oppure una molecola dotati di carica elettrica prendono il nome di ioni.
Gli atomi hanno dimensioni ridottissime, dell'ordine dei 10^-10 metri (un decimo di un miliardesimo di un metro)
Una quantità di materia avente peso in grammi pari al peso atomico di un certo elemento prende il nome di mole e contiene un numero di Avogadro di atomi (8,022*10^23 atomi cioè circa ottocentomila miliardi di miliardi di atomi).
Per le molecole vale lo stesso: una quantità in grammi pari al peso molecolare contiene un numero di Avogadro di molecole.
Il peso molecolare è dato dalla somma dei pesi atomici degli atomi che compongono una certa molecola.
Gli elementi hanno un simbolo che è composto da una lettera maiuscola o da una lettera maiuscola seguita da una lettera minuscola: ad esempio l'ossigeno ha simbolo O mentre il magnesio ha simbolo Mg.
Le molecole hanno una formula chimica che è composta dai simboli degli elementi che compongono la molecola seguiti da dal numero degli atomi di quell'elemento presenti nella struttura (se maggiore di 1; se uguale ad 1 si omette)
Ad esempio l'acqua ha formula chimica H2O che indica che una molecola di acqua è composta da 2 atomi di idrogeno H e da un atomo di ossigeno O.
I pesi atomici degli atomi che compongono questa molecola sono:
H 1,007
O 15,999
Quindi l'acqua ha peso molecolare (1,007*2)+15,999 = 18,013
Quindi 18,013g di H2O sono una mole di H2O e sono quindi composti da un numero di Avogadro di molecole di H2O.
Cosa sono i sali?
I sali sono dei composti ionici.
Lasciando perdere la descrizione dei legami che uniscono gli atomi che compongono le molecole ed i composti ionici che esula dallo scopo di questo articolo, diciamo che i sali di nostro interesse sono dei solidi che una volta sciolti in acqua si scindono in ioni cioè molecole o atomi dotate di carica elettrica positiva o negativa.
Gli ioni dotati di carica elettrica negativa sono detti anioni mentre quelli dotati di carica elettrica positiva sono detti cationi.
Vediamo un esempio: il magnesio può essere fornito tramite magnesio solfato MgSO4.
Una volta sciolto in acqua il magnesio solfato si scompone in due ioni: un anione SO4-- ed un catione Mg++.
I più ed i meno indicati in fondo alla formula chimica dello ione indicano la carica elettrica dello ione: le molecole neutre non hanno carica elettrica poiché complessivamente contengono lo stesso numero di elettroni e di protoni . La differenza fra il numero complessivo di protoni e di elettroni determina la carica dello ione: ad esempio nello ione Mg++ sono presenti due protoni in più rispetto agli elettroni mentre nello ione SO4-- sono presenti due elettroni in più rispetto ai protoni.
Per i composti ionici non avrebbe senso parlare di peso molecolare dato che gli atomi in questo caso non si organizzano in molecole ma formano una struttura cristallina quindi più propriamente in questo caso si parla di peso formula e la formula chimica prende il nome di formula minima.
Da qui in poi abbrevierò il peso molecolare con p.m. sia riferendomi al peso molecolare vero e proprio sia riferendomi al peso formula (che si calcola allo stesso modo)
Come pesare i sali?
Per pesare con precisione sufficiente i vari sali servirebbe una bilancia con una precisione almeno dell'ordine del decimo di grammo. Fermo restando che sarebbe meglio avere una bilancia con tale precisione ci si può arrangiare anche senza utilizzando una comune bilancia da cucina con precisione dell'ordine del grammo a patto di preparare le soluzioni in modo da pesare ogni volta quantità non troppo piccole dei vari sali (ad esempio pesando 20g di un certo sale l'errore di un grammo è del 5% ed è trascurabile mentre se andassimo a pesare ad esempio 2g di un certo sale l'errore sulla misura sarebbe del 50% e non sarebbe certamente trascurabile)
Un altro modo per dosare i sali ,anche se meno preciso, è quello di effettuare una conversione peso-volume. Per utilizzare questo metodo pesate un certo volume di un certo sale, ad esempio 100ml di quel sale poi dividete il peso ottenuto per il volume in modo da ottenere il peso di un ml di quel sale. A questo punto potete o dosare il sale direttamente in acquario in ml (sapendo il peso del sale che state dosando) oppure potete dosare il sale in questo modo per preparare le soluzioni da somministrare all'acquario.
Per dosare i sali in ml potete usare delle provette graduate come quelle fornite con alcuni test dei parametri chimi dell'acqua (come ad esempio quelle fornite con i test della Tetra).
Per dosare quantità più piccole potete usare i misurini forniti con alcuni test dei valori chimici dell'acqua.
Ad esempio il lato grande del misurino fornito con i test di NO3 e PO4 della JBL equivale a 0,2ml.
Voglio dosare un mg/l di nitrati (NO3-) in vasca tramite potassio nitrato (KNO3): a quanto KNO3 corrispondono?
Il KNO3 è composto da atomi di potassio K, di azoto N e di ossigeno O.
Pesi atomici:
K 39,098
N 14,006
O 15,999
Quindi il KNO3 ha peso molecolare 39,098 + 14,006 + (15,999*3) = 101,101
Ora a noi interessa sapere quanto nitrato NO3- stiamo dosando e quanto potassio K+ stiamo dosando.
Il peso molecolare dell'NO3- è 14,006+(15,999*3)= 62,003
Il peso atomico del potassio che coincide con il peso molecolare dello ione K+ è 39,098
Supponendo di dosare un grammo di KNO3 stiamo quindi dosando:
(p.m. NO3-)/(p.m. KNO3) = 62,003/101,101=0,613g di nitrato
(p.m. K+)/(p.m. KNO3) = 39,098/101,101=0,387g di potassio
quindi per fornire un grammo di NO3- devo fornire 1/0,613=1,631g di KNO3
e per fornire un grammo di potassio devo fornire 1/0,387=2,584g di KNO3.
Per fornire 1mg/l di NO3- per ogni litro di acqua dell'acquario dobbiamo fornire un mg di NO3- e quindi 1,631mg di KNO3.
Quindi per somministrare un mg/l di nitrati la quantità di KNO3 da somministrare sarà 1,631mg moltiplicato per la quantità di acqua in litri presente nell'acquario.
Ad esempio per 100l serviranno 1,631mg*100=163,1mg di KNO3 cioè 0,163g di KNO3
Tenete presente che somministrando nitrati in questo modo state somministrando allo stesso tempo anche potassio nella misura di:
(p.m. K+)/(p.m. NO3-) = 39,098/62,003 = 0,631
Quindi per ogni mg/l di nitrato NO3- che introduciamo stiamo introduciamo anche 0,631mg/l di potassio K+. Quindi ogni 5mg/l di nitrati aggiunti tramite KNO3 vengono aggiunti circa 3mg/l di potassio (anch'essi contenuti nel KNO3).
Supponiamo ora di voler preparare una soluzione di cui un ml apporti un mg/l di nitrati alla nostra vasca.
Basta moltiplicare 1,631mg/l per la quantità netta di acqua dell'acquario espressa in litri per il volume della soluzione da preparare espresso in ml.
Ad esempio: supponendo di voler preparare 250ml di soluzione e che l'acquario contenga 100l di acqua avremmo 1,631mg/l x 100l x 250 = 40775mg di KNO3 cioè 40,775g di KNO3.
Per preparare la soluzione si prende un contenitore graduato che riporti il volume voluto (250ml nel caso dell'esempio) e tramite esso si versano in una bottiglia trasparente i 250ml di acqua (è preferibile utilizzare acqua d'osmosi o distillata) oppure si pone la bottiglia vuota su una bilancia e si aggiungono 250g di acqua che corrispondono a circa 250ml di acqua.
A questo punto con un pennarello si fa un segno per indicare il livello del liquido contenuto nella bottiglietta.
Si toglie parte del liquido dalla bottiglietta (ad esempio metà) si pesa con una bilancia la quantità di KNO3 calcolata precedentemente e la mette nella bottiglietta.
Si chiude la bottiglietta e la si agita in modo da sciogliere tutto o quasi tutto il KNO3 poi si aggiunge acqua fino al raggiungimento del livello segnato in precedenza (attenzione: l'acqua da utilizzare complessivamente sarà meno di 250ml)
Si agita nuovamente la bottiglia fino al completo scioglimento del KNO3 e la soluzione è pronta.
Una cosa a cui dovete fare attenzione è la solubilità del KNO3: come per gli altri sali non è possibile sciogliere una quantità qualsiasi di KNO3 in acqua ma c'è una quantità massima oltre la quale il sale non si scioglie e precipita sul fondo; una soluzione in cui è disciolta la quantità massima possibile di un certo sale è detta soluzione satura. La quantità massima di sale che è possibile sciogliere dipende dal sale che stiamo sciogliendo e dalla temperatura.
Per i sali che stiamo considerando in genere la solubilità aumenta con la temperatura.
Per il KNO3 la solubilità massima è 35,7g/100ml a 25°C; quindi tornando all'esempio in 250ml di acqua possiamo sciogliere al massimo 89,25g di KNO3.
Se l'acquario è di grosse dimensioni non sarà possibile realizzare una soluzione di cui 1ml innalzi la concentrazione di nitrati di 1mg/l perchè dovremmo sciogliere una quantità di KNO3 superiore alla sua solubilità massima; in questi casi dobbiamo realizzare una soluzione di cui andrà somministrato più di un ml per innalzare la concentrazione di nitrati in vasca di un mg/l.
Ad esempio potrebbe essere necessario realizzare una soluzione di cui 10ml innalzano la concentrazione di nitrati in vasca di un mg/l; in questo caso la quantità di KNO3 da utilizzare per preparare la soluzione sarà 1/10 di quella calcolata precedentemente.
Voglio dosare un mg/l di fosfati (PO4---) in vasca tramite potassio diidrogeno fosfato (KH2PO4): a quanto KH2PO4 corrispondono?
Il KH2PO4 è composto da atomi di potassio K, di idrogeno H, di fosforo P e di ossigeno O
pesi atomici:
K 39,098
H 1,007
P 30,973
O 15,999
Quindi il KH2PO4 ha peso molecolare 39,098 + (1,007*2) + 30,973 + (15,999*4) = 136,081
Ora a noi interessa sapere quanti fosfati (PO4---) stiamo dosando e quanto potassio (K+).
Il peso molecolare del PO4--- è 30,973+15,999*4 = 94,969
Il peso atomico del potassio che coincide con il peso molecolare dello ione K+ è 39,098
Supponendo di dosare un grammo di KH2PO4 stiamo quindi dosando:
(p.m. PO4---)/(p.m. KH2PO4) = 94,969/136,081 = 0,698g di fosfati
(p.m. K+)/(p.m. KH2PO4) = 39,098/136,081 = 0,287g di potassio
quindi per fornire un grammo di PO4--- devo fornire 1/0,698 = 1,433g di KH2PO4
e per fornire un grammo di potassio devo fornire 1/0,287 = 3,484g di KH2PO4.
Per fornire 1mg/l di PO4--- per ogni litro di acqua dell'acquario dobbiamo fornire un mg di PO4--- e quindi 1,433mg di KH2PO4.
Quindi per somministrare un mg/l di fosfati la quantità di KH2PO4 da somministrare sarà 1,433mg moltiplicato per la quantità d'acqua in litri presente nell'acquario.
Ad esempio per 100l serviranno 1,433mg*100 = 143,3mg di KH2PO4 cioè 0,143g di KH2PO4
Tenete presente che somministrando fosfati in questo modo state somministrando allo stesso tempo anche potassio nella misura di:
(p.m. K+)/(p.m. PO4---) = 39,098/94,969 = 0,412
Quindi per ogni mg/l di fosfato PO4--- che introduciamo introduciamo anche 0,412mg/l di potassio K+
Date le quantità in gioco la quantità di potassio introdotta in questo modo è solitamente trascurabile.
Supponiamo ora di voler preparare una soluzione di cui un ml apporti un mg/l di fosfati in vasca.
Basta moltiplicare 1,433 per la quantità netta di acqua dell'acquario in litri per il volume della soluzione da preparare in ml.
Ad esempio: supponendo di voler preparare 250ml di soluzione e che l'acquario contenga 100l di acqua avremmo 1,433mg x 100 x 250 = 35825mg di KH2PO4 cioè 35,825g di KH2PO4.
Dato che può essere utile dosare quantità più piccole di un mg/l di PO4 allora è meglio preparare una soluzione più blanda; ad esempio una soluzione di cui 1ml innalzi la concentrazione di fosfati in vasca di 0,1mg/l quindi nell'esempio precedente la quantità di KH2PO4 da portare in soluzione sarà 35,825g/10 = 3,583g
Il KH2PO4 ha una solubilità massima a 20°C di 23,0g/100ml
Preparate la soluzione come descritto per il KNO3.
Voglio dosare un mg/l di potassio in vasca tramite potassio solfato (K2SO4): a quanto K2SO4 corrispondono?
Il K2SO4 è composto da atomi di potassio K, di zolfo S e di ossigeno O
pesi atomici:
K 39,098
S 32,066
O 15,999
Quindi il K2SO4 ha peso molecolare (39,098*2) + 32,066 + (15,999*4) = 174,258
Ora a noi interessa sapere quanto potassio (K+) stiamo dosando.
Ogni molecola di K2SO4 in acqua libera 2 ioni K+ ed uno ione SO4--.
Supponendo di dosare un grammo di K2SO4 stiamo quindi dosando:
(p.m. 2*K+)/(p.m. K2SO4) = (2*39,098)/174,258 = 0,449g di potassio
quindi per fornire un grammo di K+ devo fornire 1/0,449 = 2,227g di K2SO4
Per fornire 1mg/l di K+ per ogni litro di acqua dell'acquario dobbiamo fornire un mg di K+ e quindi 2,227mg di K2SO4.
Quindi per somministrare un mg/l di potassio la quantità di K2SO4 da somministrare sarà 2,227mg moltiplicato per la quantità d'acqua in litri presente nell'acquario.
Ad esempio per 100l serviranno 2,227mg*100 = 222,7mg di KH2PO4 cioè 0,223g di K2SO4
Supponiamo ora di voler preparare una soluzione di cui un ml apporti un mg/l di potassio in vasca.
Basta moltiplicare 2,227 per la quantità netta di acqua dell'acquario in litri per il volume della soluzione da preparare in ml.
Ad esempio: supponendo di voler preparare 250ml di soluzione e che l'acquario contenga 100l di acqua avremmo 2,227mg x 100 x 250 = 55675mg di K2SO4 cioè 55,675g di K2SO4.
Il K2SO4 ha una solubilità massima a 20°C di 11,1g/100ml
Quindi per acquari di grosse dimensioni non sarà possibile preparare soluzioni di cui 1ml innalzi la concentrazione di potassio in vasca di 1mg/l ma sarà necessario preparare soluzioni di cui, per innalzare la concentrazione di potassio in vasca di un mg/l se ne deve dosare una quantità maggiore.
Tornando all'esempio la quantità di K2SO4 da portare a volume di 250ml con acqua supera già la solubilità del K2SO4 quindi modifichiamo la soluzione ad esempio in modo che 5ml di soluzione innalzino di 1mg/l la concentrazione di potassio in vasca. La quantità di K2SO4 da utilizzare per preparare la soluzione sarà quindi 55,675g/5=11,135g
Preparate la soluzione come descritto per il KNO3.
Allego un foglio di calcolo che effettua i calcoli che ho spiegato; se non avete Microsoft Excel potete aprire questo file con OpenOffice che è scaricabile gratuitamente da internet all'URL http://www.openoffice.org oppure tramite il Google docs&speadsheets all'URL http://docs.google.com
Claudio Cappelletti
Ringrazio Fabrizio Lattuca per aver gentilmente accettato di controllare questo articolo e per le correzioni e modifiche da lui proposte.
I fogli di calcolo li potete trovare qui:
http://claudiocappelletti.blogspot.com/2007/03/foglio-di-calcolo-riguardante-la.html
