Logbuch

Die Uni-Zeit ist schon einige Jahre (viele….) vorbei und damit auch der praktische Kontakt mit dem Chemielabor. Trotzdem wollte ich mir ein paar grundsätzliche Vorgänge in meinem Aquarium wieder vor Augen führen und schreibe diese Grundlagen einfach mal auf. Eventuell helfen sie ja noch anderen Lesern beim Verständnis der Vorgänge – einen Versuch ist es wert.

Ein Puffer

Wird dem Wasser (zum Beispiel durch die Pflanzen) CO₂ entzogen, reagiert das gut wasserlösliche Kalziumhydrogenkarbonat zu Kohlensäure und dem wasserunlöslichen Kalk (Kalziumcarbonat):

Ca(HCO₃)₂ <-> H₂CO₃ + CaCO₃

Wenn CO₂ entzogen wird, steigt der pH-Wert (mehr OH- Ionen -> Basen). Parallel entsteht bei der Umwandlung von Kalziumhydrogenkarbonat nun Kohlensäure und der pH-Wert sinkt wieder (mehr H+ Ionen -> Säuren).
Dieses Auffangen einer pH-Wert Änderung nennt sich „Puffer“ und ist praktisch eine Art Versicherung gegen eine ungebremste pH-Wert Veränderung. In einem sauren Milieu, mit einem pH-Wert von 6 oder darunter, ist praktisch kein Hydrogenkarbonat vorhanden und der Puffer versagt.

Das meiste CO₂ im Wasser bleibt als Gas gelöst. Bei der Einleitung von CO₂ in das Wasser entsteht zu rund 0,1% aus Wasser und Kohlendioxid Kohlensäure. Das führt zu einem Absinken des pH-Werts:

CO₂ + H₂O <-> H₂CO₃

Biogenen Entkalkung

Die biogenen Entkalkung bedeutet, dass Planzen (und Algen) CO₂ bei einem CO₂-Defizit aus Kalziumhydrogenkarbonat (und Magnesiumhydrogenkarbonat) gewinnen. Es bleibt Kalk übrig und fällt aus:

Ca(HCO₃)₂ <-> H₂O + CO₂ + CaCO₃

Der pH-Wert steigt in diesem Fall – unter ungünstigen Umständen deutlich – an. Der Kalk ist als grauweißer Belag auf den Blättern der Pflanzen zu erkennen.
Praktisch bedeutet dies, dass der pH-Wert in einem Aquarium durch die Assimilation des CO₂ durch die Pflanzen steigen würde – dies wird durch die Umwandlung von Kalziumhydrogenkarbonat aufgefangen (der Puffer von gerade), wodurch die Karbonathärte KH sinkt. Der CO₂-Gehalt im Wasser nimmt ab.

Bei CO₂-Überschuss reagiert das CO₂ mit Kalk zu Kalziumhydrogenkarbonat – die Karbonathärte KH steigt:

H₂O + CO₂ + CaCO₃ <-> Ca(HCO₃)2

In saurem Wasser (pH unter 6) liegt praktisch alles CO₂ gelöst vor, die Karbonate sind bedeutungslos.
Im neutralen und schwach alkalischen Bereich (pH 7-8) ist fast alles CO₂ als Hydrogenkarbonat gebunden.
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

CO₂-Gehalt

Der CO₂-Gehalt sollte zwischen 10 mg/l und maximal 40 mg/l liegen. Auf keinen Fall sollte der CO₂-Gehalt 60 mg/l übersteigen, da dies für die Fische schädlich sein kann. Als ideal kann unter normalen Umständen ein CO₂-Gehalt von 20 mg/l angesehen werden.
Beim Kölner Wasser mit KH = 12,3 und einem pH-Wert von 7,2 starten wir zum Beispiel mit einem CO₂-Gehalt von 23,3 mg/l. Durch den Verbrauch der Pflanzen wird der pH-Wert relativ schnell steigen und bei einem angenommenen pH-Wert von 7,5 wären nur noch 11,7 mg/l CO₂ vorhanden.

(CO₂ = (KH/2,8)*10^(7,91-pH))

Ein alternatives Messverfahren

Normalerweise berechnet man den CO₂ Gehalt mit den im Handel erhältlichen Tröpfchentests für den pH-Wert und die KH. Wer es genauer haben will und gerne etwas bastelt, kann folgenden Weg wählen – unbedingt sauber arbeiten, die Indikatorlösung ist nicht ungefährlich.

Benötigt werden:

• 0,1%ige Natronlauge (NaOH)
• 2%ige Phenolphthaleinlösung (giftig, Lösung 1 % in Ethanol kostet runde 15,- EUR je 100ml)

Mit der Natronlauge wird nun der pH-Wert einer Probe des Aquarienwassers so lange angehoben, bis der Farbumschlag (erste leichte Rosafärbung) des Indikators für ca. 30 sek. stabil bleibt. Die Reaktionsgleichung hinter dem Verbrauch an Natronlauge:

NaOH + CO₂ <-> NaHCO₃

Also verbraucht 1 mol NaOH gerade 1 mol CO₂. Das macht uns das Rechnen leicht.
Wenn man dann die benötigte NaOH Menge in eine einfache Formel einsetzt, kann man sehr genau den CO₂ Gehalt bestimmt:

((0,025 mol/l * Verbrauch NaOH in ml) / Wasserprobe in ml) * 44 (g/mol) = CO₂ Gehalt in g/l

Man nimmt z.B. 100 ml Aquarienwasser, gibt 2-3 Tropfen der Phenolphthaleinlösung hinzu. Dann gibt man 1/10 ml für 1/10 ml (Spritze) die verdünnte Natronlauge dazu und wartet auf den Farbumschlag.

Hier würden andere Säuren (Torf -> Huminsäure) das Ergebnis (den pH-Wert) verfälschen. Das kann man mit einer Blindprobe lösen. Dazu nimmt man die gleiche Menge Aquarienwasser wie beim ersten Test und belüftet diese für mindestens fünf Minuten kräftig mit einer Luftpumpe (nicht pusten – die Atemluft enthält CO₂) um das freie CO₂ zu entfernen. Dann wird erneut gemessen und das Ergebnis von der vorherigen Messung abgezogen. Schick und relativ einfach – oder?

Die Beleuchtungsstärke

Die Photosynthese der Pflanzen braucht Licht – als durchschnittliche Beleuchtungsstärke zählen 0,3 bis 0,5 Watt/l. Ein Eckaquarium mit 350l Inhalt und 94W bei der Beleuchtung kommt zum Beispiel auf 0,27 Watt/l. Damit ist allerdings noch nicht gesagt, dass die Beleuchtung gleichmäßig verteilt ist oder die Lampen mit guten Reflektoren versehen wurden. Je höher die Beleuchtungsstärke, desto mehr CO₂ verbrauchen die Pflanzen.
Wenn die Pflanzen ausreichend Licht bekommen, werden andere Faktoren zum begrenzenden Faktor für die Photosynthese und das Wachstum der Pflanzen.