Molto spesso, nelle discussioni fra acquariofili, nelle schede dei fondi per acquario e in vari altri casi, viene nominata la capacità di scambio dei substrati per acquario.

Cosa significa tutto ciò?
Vediamolo!

Capacità di scambio

I substrati e i terricci contengono al loro interno cariche elettriche nette (ovvero non in equilibrio).
In base al tipo di carica netta risultante – positivo o negativo – avremo differenti capacità di scambio.

Capacità di scambio cationico (CSC – CEC)

I substrati contenenti particelle dette alluminosilicati, ovvero cristalli composti da alluminio (Al) e silicio (Si), oppure materia organica, hanno una carica elettrica preponderante negativa, in grado di attrarre le particelle cariche positivamente, dette anche cationi.
I motivi della presenza di queste cariche negative sono sostanzialmente due:

1. rottura degli strati esterni dei silicati che li compongono, con esposizione dei “bordi”, solitamente carichi negativamente;
2. sostituzione, all’interno della struttura dei silicati, da parte di alcuni cationi, come Mg²⁺, di altri cationi più carichi, come Al³⁺.

Queste cariche negative, come abbiamo detto poco sopra, riescono ad attrarre ioni carichi positivamente (cationi), come lo ione ammonio NH₄⁺ o ioni di calcio e magnesio (Ca²⁺ e K⁺).

I cationi non sono attratti casualmente: sono attratti con forze differenti, in base a valenza e altri parametri (raggio ionico idrato etc) e sono maggiormente attratti quelli presenti in maggiore quantità.
Ad esempio, alcuni fra gli elementi nutrienti si legano in questo ordine:

H⁺ ≥ Al³⁺ > Ca²⁺ > Mg²⁺ > NH₄⁺ = K⁺ > Na

H = idrogeno, Al = alluminio, Ca = calcio, Mg = magnesio, NH₄⁺ = ammonio, K = potassio, Na = sodio

… dove a sinistra ci sono gli elementi scambiati più facilmente.
Questa serie è un tipo di serie liotropica.

Analogamente, alcuni metalli di transizione tendono a seguire quest’ordine:

Cu²⁺ > Ni²⁺ > Fe²⁺ > Mn²⁺

Cu = rame, Ni = nichel, Fe = ferro, Mn = manganese

Come si misura la capacità di scambio?

La quantità totale di carica negativa presente in un substrato è detta capacità di scambio cationico (CSC, in inglese CEC, Cation Exchange Capacity).

La CSC si misura comunemente in milliequivalenti [meq] per unità di peso; un meq equivale a 6·10²⁰ (6 seguito da 20 zeri) cariche negative.

Di seguito alcuni valori tipici per alcuni substrati. Per dare un metro di paragone, in agricoltura un terreno con una CSC superiore a 15-20 meq/100 grammi è considerato con una buona capacità di scambio:

• sabbia 3-5 meq/100 grammi
• terra argillosa 10-15 meq/100 grammi
• limo 15-25 meq/100 grammi
• argilla 20-50 meq/100 grammi
• zeolite 200-400 meq/100 grammi
• humus 300-500 meq/100 grammi (diminuisce all’aumentare del pH)

Per fare un esempio a parole, un substrato con una CSC di 10 meq/100 grammi ha 60 seguito da venti zeri cariche negative ogni 100 grammi!

Capacità di scambio anionico (CSA – AEC)

Al contrario di quanto abbiamo visto fino ad ora, differenti tipologie di substrato, contenenti alluminio e silicio in forma amorfa (non cristallizzata) e ossidi di ferro o alluminio, hanno una carica elettrica preponderante positiva, in grado di attrarre le particelle cariche negativamente, dette anche anioni.
Esempi di anioni sono lo ione solfato (SO₄^2-), lo ione nitrato (NO₃^–), lo ione fosfato (PO₄^3-), lo ione cloruro (Cl^–) o lo ione idrogenocarbonato (HCO₃^–, bicarbonato).

Il comportamento è del tutto analogo a quello dei cationi, cambia solo il segno della carica (negativa, anziché positiva).

Sulla falsariga dell’ordine di affinità dei cationi, l’ordine di legame di alcuni anioni è il seguente:

NO₃^– < Cl^– < SO₄^2- < PO₄^3-

Nitrati < Cloruri < Solfati < Fosfati

ovvero i nitrati sono debolmente legati, mentre i fosfati sono legati con maggiore forza (e lo scambio è quindi più oneroso).

La capacità di scambio anionico si misura sempre in meq/quantità di substrato o terreno, in maniera del tutto analoga alla CSC.

In realtà, la capacità di scambio anionico è generalmente minore della capacità di scambio cationico, per cui spesso si parla solo di quest’ultima. Tuttavia sono presenti (almeno) entrambe e la capacità di scambio anionico è generalmente sufficiente affinché il substrato riesca a trattenere alcuni anioni, quali solfati o fosfati.