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Alkalinität

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Einleitung

Durch eine höhere Alkalinität steigt der pH-Wert und die pH-Schwankung nimmt ab

Die Alkalinität (fälschlicherweise Carbonathärte / Karbonathärte genannt, die Abkürzung KH ist weit verbreitet, im englischen oft auch in der Einheit meq/L) definiert das Säurebindungsvermögen von Wasser. Der Grad der Alkalinität hängt von der Menge der enthaltenen basisch wirkenden Ionen, hauptsächlich dem Gehalt an Carbonaten ab. Daher unterscheidet man auch zwischen Gesamtalkalinität und Carbonatalkalinität. Aus der Alkalinität ergibt sich die Fähigkeit einer Lösung, Oxonium- oder Wasserstoffionen zu binden.

Die Carbonate sind Kohlenstoffquelle und Pufferung für Korallen. Das in den Bicarbonaten enthaltene Carbon (Kohlenstoff) ist wichtig für die Photosynthese der Korallen. Je höher der pH, desto weniger CO2 steht den Korallen dafür zur Verfügung. So ist der Gehalt an CO2 nur ca. 1/4 dessen, was er bei pH 7,9 ist (bei gleicher Alkalinität). So kann eine höhere Alkalinität sogar besser sein, besonders wenn wenig CO2 zur Verfügung steht, um eine Kohlenstofflimitierung zu vermeiden.[1]

Da es üblich ist im Aquarium mehr Verbraucher als Produzenten zu haben, neigt die Alkalinität bei eingefahrenen Meerwasseraquarien zum Sinken. Steinkorallen brauchen die Alkalinität um Ihre Skelette zu bilden. Dabei werden Bicarbonate zu Carbonat umgeformt, das dann in das Calzium-Carbonat-Skelett eingebaut wird. Bei zu niedrigen Konzentrationen reagieren vor allem Steinkorallen äußerst empfindlich - sie bleichen aus und zeigen auch keine Polypen mehr.

Die Pufferkapazität von Meerwasser wird vorwiegend durch den Gehalt an gelöstem Hydrogencarbonaten und Carbonaten bestimmt, zu nur 3% durch Kohlenstoffdioxid.

Kohlendioxid (CO2) hat im Meerwasser maßgeblich Einfluss auf den pH-Wert. Der Eintrag von Kohlendioxid verändert zwar die Menge an Carbonaten, doch die Alkalinität bleibt unverändert, deshalb lassen sich folgende Aussagen treffen:

  • Mehr Kohlendioxid -> niedrigerer pH-Wert
  • Weniger Kohlendioxid -> höherer pH-Wert
  • Höhere Alkalinität -> höherer pH-Wert
  • Niedrige Alkalinität -> niedrigerer pH-Wert

Konzentration

Die Einheit für die Alkalinität ist Mol pro Liter (mol/l, üblich sind mmol/l als tausendstel), doch die Mehrheit der deutschen Wassertests gibt die deutsche Maßeinheit, den deutschen Härtegrad, mit °dH an.

Natürliches Meerwasser hat regional unterschiedliche Karbonathärten und 6,5 °dH ist ein Mittelwert, im Riffaquarium ist ein Wert zwischen 7 - 10 °dH (2,52 - 3,6 mol/l) optimal.

Eine erhöhte Alkalinität führt durch abiotische Ausfällung von Calziumcarbonat zu Kalkausfällungen. Diese lagern sich vor allem an diversen Gegenständen auf (Strömungspumpen, Heizung, Glas, …) und verbraucht dabei Calcium, das ggf. wieder zugeführt werden muß.

Es zeigt sich, das vor allem SPS besonders stabile Konzentrationen brauchen. Schwankungen können zu Gewebeverlust führen und schnelle Senkungen, oder sogar Werte unter 4,5 °dH, führen zum Tode. Manche Korallen überstehen dennoch niedrigere Konzentrationen, doch man sieht ihnen den schlechten Zustand an.

Um einen Überblick über die Wasserwerte zu bekommen, gibt es hier eine Liste.

Natürliche Indikatoren

Bei natürliche Indikatoren gilt, dass nur Veränderungen als Kriterium genommen werden können; ein Blick auf den derzeitigen Zustand allein reicht nicht aus.

  • Stylophora pistilata
In Ordnung (>5 dH°): Polypen voll auf
Mangel (<5 dH°): Polypen voll zu
  • SPS, insbesondere Acropora
Mangel: Werden vom Fuße her weiss (ggf. auf Phospahtlimitierung prüfen)

Dosierung

Die Zugabe von folgenden Salzen erhöht die Alkalinität und damit auch immer den pH-Wert, aber es gibt Unterschiede die man sich zu Nutzen machen kann:

Ein Wechsel ist jederzeit möglich, es muss nur die unterschiedlichen Dosierungsempfehlung eingehalten werden.

Im Detail

Meeresoberfläche Alkalinität
°dH °e °f mg/L CaO mg/L CaCO3 mmol/L H+ / meq/L
1 1,3 1,8 10 18 0,36
2 2,5 3,6 20 36 0,71
3 3,8 5,4 30 54 1,07
4 5,0 7,1 40 71 1,43
5 6,3 8,9 50 89 1,78
6 7,5 10,7 60 107 2,14
7 8,8 12,5 70 125 2,50
8 10 14,3 80 143 2,86
9 11,3 16,1 90 161 3,21
10 12,5 17,8 100 178 3,57

Einfluss auf die Alkalinität

Natürliche Faktoren
  • Die Zersetzung organischer Stoffe
  • Anorganische Effekte wie Magnesitbildung sowie die Bildung von Magnesium- und Strontiumcarbonaten durch Organismen[2].
  • Bei der Nitrifikation verringert sich die Alkalinität
  • Bei der Denitrifikation erhöht sich die Alkalinität
  • Calcifikation, d.h. der Verbrauch von Calcium und Alkalinität für den Skelettaufbau von Steinkorallen. Der pH-Wert sinkt und CO2 wird freigesetzt. Bei elektronischer pH-Messung ist besonders gut bei Neuzugängen von SPS zu beobachten, wie der pH-Wert absackt.
  • Bei tiefen und stark durch Detritus verunreinigten Aragonitsandbetten werden durch Säurebildung das Calciumcarbonat in Calcium und Carbonat gespalten, dadurch steigt die Alkalinität
Einfluss durch den Aquarianer
  • Abhängig von der verwendeten Salzsorte wird durch den Wasserwechsel Alkalinität dem Becken zugeführt. Salze für Riffaquarien (sogenannte Coral pro Salze) haben meist mehr Alkalinität, als die normalen Salze
  • Ein Kalkreaktor kann auch sehr hohen Verbrauch an Alkalinität durch große Steinkorallen im Aquarium ausgleichen
  • Die Balling-Methode eignet sich für kleine und mittelgroße Becken, um den Verbrauch an Alkalinität auszugleichen
  • Kalkwasserzugabe

Pufferkapazität von Wasser

Die Pufferkapazität, auch Pufferungskapazität genannt, ist die Stabilität des pH-Werts einer Lösung bei Zugabe von starken Basen oder starken Säuren.

Sie gibt an, wie viele Oxonium-Ionen (H3O+) bzw. Hydroxidionen (OH) einem Liter einer Lösung zugegeben werden können, bis deren pH-Wert um eine Einheit abgesenkt bzw. erhöht wird. Die Einheit der Pufferkapazität ist Mol pro Liter.

Die Pufferkapazität ist abhängig von den in der Lösung vorliegenden Konzentrationen an schwachen Säuren und Basen, die den Puffer bilden. In einer Lösung kann H3O+ nur abgepuffert werden, wenn die schwache Base noch in ausreichender Konzentrationen vorliegt. Analog dazu kann OH nur abgepuffert werden, wenn noch genügend schwache Säure vorliegt. Je höher die Konzentrationen der schwachen Säure und Base in einer Lösung sind, desto größer ist die Pufferkapazität. Als Faustregel kann man sagen, dass ein Puffer erschöpft ist, sobald das Verhältnis der Säure-/Base-Konzentration den Wert 1 zu 10 (bzw. 10 zu 1) überschreitet. Der pH-Wert eines Puffers kann daher um +/−1 schwanken, bevor er erschöpft ist.

Carbonatalkalinität

Die Carbonatalkalinität (Carbonathärte) ist ein westentlicher Faktor im Meerwasser für Korallen.

Das Referenzsystem der Alkalinität ist das CO2-System. Es bildet im Wasser die Komponenten CO32− (Carbonat), HCO3 (Hydrogencarbonat oder Bicarbonat) und H2CO3 (Kohlensäure, vernachlässigbar gering). Damit lässt sich die Gesamtheit des in Wasser gelösten CO2 CT wie folgt darstellen:

CT = [CO2*] + [HCO3] + [CO32−] [3].

[CO2*] ist das gelöste CO2.

Daraus ergibt sich folgende Definition der Carbonatalkalinität AC:

AC = [HCO3] + 2 • [CO32−] + [OH] − [H3O+]

Der Faktor 2 bei [CO32−] erklärt sich dadurch, dass je Mol CO2 das Säurebindungsvermögen doppelt so groß ist. Im neutralen pH-Bereich ist die Carbonatalkalinität durch die Konzentration von HCO3 und CO32− bestimmt, da [OH] und [H3O+] klein sind und umgekehrte Vorzeichen haben.

Die analytische Bestimmung erfolgt in der Regel durch Titration mit Salzsäure zum pH-Wert 4,3 oder bis zum Umschlag des Indikators Methylorange. Liegt der anfängliche pH-Wert einer Probe über 8,3, so muss zusätzlich als Zwischenstufe der Säureverbrauch bis zum pH 8,3 (Phenolphthalein als Indikator) notiert und doppelt in Ansatz gebracht werden. Der Säureverbrauch bis pH 8,3 steht dann für die Umwandlung von Carbonat in Hydrogencarbonat. Der (weitere) Säureverbrauch bis pH 4,3 steht für die Umwandlung jeglichen Hydrogencarbonats in freies Kohlenstoffdioxid. Diese Größe wird im deutschen Sprachraum auch als "Säure-Bindungs-Vermögen" ("SBV") bezeichnet und in der Regel in Val (Einheit)/l angegeben.

Gesamtalkalinität

Die Gesamtalkalinität (Gesamthärte) ist ein unwestentlicher Faktor im Meerwasser für Korallen.

Im Meerwasser sind weitere Ionen für das Säurebindungsvermögen von Wichtigkeit. Daher wird mit der Gesamtalkalinität gerechnet. Welche Ionen dabei berücksichtigt werden, ist je nach Definition verschieden.[4] Dickson[5] definierte beispielsweise Basen von schwachen Säuren (pK > 4,5 bei 25 °C) als Teil der Gesamtalkalinität AT:

AT = [HCO3] + 2 • [CO32−] + [OH] − [H3O+] + [B(OH)4] + 2 • [PO43−] + [HPO42−] − [H3PO4] + [SiO(OH)3] + [NH3] - …

Da die Konzentrationen von vielen Ionen vernachlässigt werden können, schlagen Zeebe und Wolf-Gladrow[6] vor, als Vereinfachung nur Tetrahydroxyborat zusätzlich zur Carbonatalkalinität zu berücksichtigen:

AT ≈ [HCO3] + 2 • [CO32−] + [OH] − [H3O+] + [B(OH)4]

Dies hängt jedoch von der anderweitig bekannten Beschaffenheit des Messgutes ab. So kann z.B. das Wasser in Fischzucht-Kreislaufanlagen oder Abwasser in Kläranlagen hohe Gehalte an Ammoniak und Phosphaten aufweisen, so dass diese in diesem Fall keineswegs zu vernachlässigen wären.

Messung

Die Messung ist auch mit einfachen und günstigen Tests meist zuverlässig möglich. Eine Übersicht über die am Markt vorhandenen Wassertests finden sie hier.

Sofern der Farbumschlag nicht eindeutig ist, sondern sich erst ansatzweise zeigt, ist der tatsächliche Wert etwa 0,5 °dH darüber.

Ältere Tests können zu hohe Werte anzeigen.

Einzelnachweise

  1. Photosynthesis and the Reef Aquarium, Part I: Carbon Sources
  2. Veränderungen der Alkalinität durch Magnesium
  3. A. G. Dickson, C. Goyet: Handbook of Methods for the Analysis of the Various Parameters of the Carbon Dioxide System in Sea Water, Kapitel 2, S. 3
  4. Ich habe mindestens zwanzig verschiedene Definitionen von Alkalinität gefunden“, Zitat eines Kohlenstoffzyklus-Modellierers in: Richard E. Zeebe, Dieter A. Wolf-Gladrow: CO2 in Seawater: Equilibrium, Kinetics, Isotopes. Elsevier, 2001, ISBN 978-0444505798
  5. A. G. Dickson: An exact definition of total alkalinity and a procedure for the estimation of alkalinity and total inorganic carbon from titration data. Deep-Sea Research 28A, 609–623
  6. Richard E. Zeebe, Dieter A. Wolf-Gladrow: CO2 in Seawater: Equilibrium, Kinetics, Isotopes. Elsevier, 2001, ISBN 978-0444505798

Weblinks