Die Löslichkeit des Kohlendioxids im
Wasser liegt etwa 50 mal höher als für Sauerstoff. Dagegen ist die
Diffusionsgeschwindigkeit des Kohlendioxids im Wasser 10000 mal geringer als in
Luft. Im Wasser gehen ungefähr 0,2% des gelösten Kohlendioxids in Kohlensäure
(H2C03) über. Bei Zufuhr von CO2 steigt also auch die Kohlensäuremenge, der
pH-Wert sinkt; entsprechend steigt der pH-Wert bei Entzug von CO2. Die
Kohlensäure dissoziiert (zerfällt) mäßig in zwei Stufen:
1. Stufe: H+ + HCO3
2. Stufe: H+ + CO32-)
Bei den für das Aquarium wichtigen Salzen der Kohlensäure kann man sich auf das
Kalziumhydrogenkarbonat [Ca(HCO3)2] und das KaIziumcarbonat (CaCO3) beschränken.
Das Kalziumhydrogenkarbonat ist gut in Wasser löslich und bedingt die zeitweise
vorhandene Härte des Wassers (Karbonathärte). Diese Härte verschwindet beim
Kochen des Wassers.
Demgegenüber ist das Kalziumkarbonat praktisch
wasserunlöslich und fällt größtenteils aus (z. B. als Kesselstein). Das
Kalziumhydrogenkarbonat bleibt im Aquariumwasser aber nur beständig, wenn eine
bestimmte, mit der Konzentration stark anwachsende Menge an Kohlendioxid in
Lösung ist. Diese CO2-Menge wird daher als Gleichgewichts-CO2 bezeichnet. Wird
sie unterschritten, zerfällt ein Teil des Kalziumhydrogenkarbonats zum kaum
löslichen Karbonat. Formelmäßig kann man folgendes Gleichgewicht ausdrücken:
CO2-Defizit Ca (HCO3)2 <------------> CaCO3 + CO2 + H2O CO2-Uberschuß
Unter Gleichgewichtsbedingungen besteht eine Beziehung zwischen dem Gehalt an
Kohlendioxid, dem pH-Wert und dem Gehalt an Hydrogenkarbonat. Es kommt zum
Ausdruck, dass die verschiedenen Bindungsformen des Kohlendioxids (CO2+H2CO3,
HCO3-, CO22-) eine charakteristische, vom pH-Wert abhängige Verteilung zeigen.
1. In saurem Wasser (pH unter 6) liegt praktisch alles CO2 gelöst vor, die
Karbonate sind bedeutungslos (Beispiel: Kalkarmut von torfhaltigem
Aquarienwasser).
2. Im neutralen und schwach alkalischen Bereich (pH 7-8) ist fast alles CO2 als
Hydrogenkarbonat gebunden (Beispiel: normales Aquariumwasser).
3. Im stark alkalischen Bereich (pH über 10) ist der überwiegende Teil des CO2
als Karbonat vorhanden. Gelöstes CO2 kommt oberhalb von pH 9 praktisch nicht
mehr vor (Beispiel: Natronwasser, in dem einige Cichliden leben können).
Das Karbonatsystem im Wasser ist, als das Gemisch einer schwachen Säure
(Kohlensäure) mit ihren Salzen, ein typischer Puffer im chemischen Sinne. Puffer
haben die Eigenschaft, mäßige Zugaben von Säuren oder Basen (Laugen) so
aufzufangen, dass sich der pH-Wert kaum ändert. Gibt man eine Säure zu einem
Puffer, so werden zunächst die H+-Ionen vom Hydrogenkarbonat gebunden. Es
entsteht Kohlensäure, die aber zum größten Teil in Kohlendioxid und Wasser
zerfällt. Der verbleibende Rest der Kohlensäure dissoziiert sehr schwach, so
dass sich die H+-Ionen-Konzentration nur geringfügig erhöht. Der pH-Wert bleibt
annähernd konstant. Gibt man eine Base zu einem Puffer, so werden die OH--Ionen
sofort vom CO2 gebunden. Es bildet sich Hydrogenkarbonat. Der Verlust an
Kohlendioxid wirkt sich nur geringfügig auf den Gehalt an Kohlensäure (=
H+-Ionen-Konzentration) aus. Der pH-Wert steigt nur schwach an.
Die Pufferung des Aquariumwassers ist um den Neutralpunkt (pH 7) herum optimal.
Sie versagt bei der Zugabe von Säuren im sauren Bereich, da unter pH 6 kein
Hydrogenkarbonat mehr vorhanden ist. Sie versagt ebenso bei der Zugabe von
Laugen im stark alkalischen Bereich, da oberhalb von pH 10 kein Kohlendioxid
mehr im Wasser vorkommt. Die Güte der Pufferung hängt also vom Kalkgehalt des
Wassers ab: Hartes Wasser ist viel besser gepuffert als weiches, torfhaltiges
Wasser. Je mehr Hydrogenkarbonat im Aquariumwasser enthalten ist, desto mehr
freie H+-Ionen können abgefangen werden. Diese Eigenschaft des Hydrogenkarbonats
wird als Säure-Bindungsvermögen (SBV) bezeichnet.
Wie weiter oben schon angedeutet, besteht zwischen dem Karbonatsystem bzw.
zwischen der Karbonathärte und dem pH-Wert ein enges Wechselspiel. Je höher die
Karbonathärte ist, desto höher ist der pH-Wert, doch gleichzeitig wird der
pH-Wert auch besser gepuffert (stabilisiert). Für die meisten Aquarien ist eine
Karbonathärte zwischen 2° und 8° empfehlenswert.
