Wird durch CO2-Düngung die Karbonathärte erhöht?

Im aquaristischen Internet wird immer wieder mal die These geäußert, dass bei CO2-Düngung über die entstehende Kohlensäure die Karbonathärte im Aquariumwasser erhöht würde. Im Artikel Biogene Entkalkung durch CO2 Mangel im Aquarium bei AquaRichtig ist beispielsweise Folgendes zu lesen:

„Kohlenstoffdioxid reagiert in Wasser in einem verschwindend kleinen Anteil von weniger als 1 % zu Kohlensäure (H2CO3)“.

„Wie der Name Kohlensäure schon sagt, ist diese eine Säure die bei CO2 Einleitung in das Aquarium auch für eine Senkung des pH durch H+-Ionen verantwortlich ist“.

„[…]

„Bei einer Überdosierung von CO2 ist somit auch durchaus eine Erhöhung der Karbonathärte möglich“.

[AquaRichtig, Biogene Entkalkung durch CO2 Mangel im Aquarium]

AquaRichtig erwähnt zuvor die Bildung von Kohlensäure durch die Reaktion von Kohlenstoffdioxid mit Wasser. Aus diesem Kontext schließe ich daher, dass AquaRichtig die gebildete Kohlensäure als Ursache des postulierten Karbonathärte-Anstiegs sieht.

notwendige Rahmenbedingungen für Karbonat durch CO2-Düngung

Wie AquaRichtig kurz davor korrekterweise anmerkt, reagiert Kohlendioxid mit Wasser nur zu einem verschwindend kleinen Anteil von weniger als 1 % zu Kohlensäure (H2CO3). Es sind genauer etwa 0,2%[1a]. Die Literaturangaben schwanken allerdings je nach Quelle. Der Großteil des CO2 ist in jedem Fall rein physikalisch im Wasser gelöst.

Kohlensäure liegt bei im Süsswasseraquarium üblichen pH-Wertbereich zwischen pH 6,5 und 8,5 großteils in H+ (Wasserstoff) und HCO3 (Hydrogencarbonat) Ionen dissoziiert vor. Mit sinkendem pH-Wert steigt der Anteil an H2CO3. Steigt der pH-Wert, nimmt der Anteil an H+ + HCO3 zu. Bei pH 6 liegen etwa 97 % H2CO3 und 3 % H+ + HCO3 vor, bei pH 9 etwa 98 % H+ + HCO3 und 1 % H2CO3.

Die erwähnte CO2-Überdosierung muss daher in erheblichem Maße erfolgen, um eine merkliche (d. h. messbare) Menge Kohlensäure beziehungsweise Hydrogencarbonat im Wasser zu erzeugen. Für eine messbare Erhöhung der KH sind also erhebliche Mengen an gelöstem CO2 im Wasser notwendig. Als für aquaristisch übliche Methoden messbaren Anstieg der KH will ich hier 1° dKH festlegen. Ich gehe hier der Einfachheit halber von einem rein linearen Zusammenhang von CO2 und Kohlensäure Konzentration aus.

Wie viel CO2 müsste im Wasser gelöst sein, um die KH um 1 ° dKH anzuheben?

Konkret bedeutet das Folgendes: CO2 hat eine molare Masse von gut 44 g/mol. Pro Millimol oder 44 mg gelöstem CO2 bilden sich etwa 0,00144 mmol Kohlensäure respektive – hypothetisch – Hydrogencarbonat. 0,36 mmol/l Hydrogencarbonat entsprechen 1° dKH. Hydrogencarbonat hat eine molare Masse von gut 61 mg/mmol. Um 0,36 mmol Kohlensäure respektive Hydrogencarbonat oder einen Anstieg der KH um 1 °d durch CO2 zu erhalten, müssen daher etwa 11 Gramm CO2 pro Liter im Wasser gelöst sein.

  • m CO2: 44 g pro Mol
  • 44 mg CO2 = 1 mmol
  • 0,2% vom CO2 reagieren mit Wasser zu H2CO3
  • 1 mmol H2CO3 entspricht 1 mmol HCO3
  • 0,2% von 44 mg sind 0,088 mg
  • Pro 44 mg/l gelöstem CO2 werden 0,088 mg H2CO3 bzw. HCO3 gebildet
  • m HCO3 61 g pro Mol
  • 0,36 mmol HCO3 entsprechen 1° dKH
  • 61 mg HCO3 = 1 mmol
  • 0,36 × 61 mg = 22 mg HCO3
  • 0,088 mg H2CO3 = 0,00144 mmol
  • ↠ 0,00144 mmol H2CO3 bzw. HCO3 per 44 mg/l gelöstem CO2
  • 0,36 mmol HCO3 bei 250 × 44 mg/l CO2
  • 250 × 44 mg/l = 11000 mg/l CO2

Kann die dazu nötige Menge CO2 im Wasser gelöst werden?

Nach dem Henry-Dalton-Gesetz verhält sich die Löslichkeit eines Gases in Wasser proportional zum Partialdruck des Gases – seinem Anteil am Gasgemisch – in der Atmosphäre darüber. Bei einer Atmosphäre, die aus nur einem Gas besteht, ist der Partialdruck des Gases folglich 1 oder 100%. Weiterhin hängt die Löslichkeit des Gases vom Gesamtdruck des Systems ab. Der Normaldruck der Atmosphäre beträgt gut 1 bar. Verdoppelt sich der atmosphärische Druck auf 2 bar, verdoppelt sich auch die Konzentration des im Wasser gelösten Gases.

CO2 löst sich bei atmosphärischem Druck von 1bar und einer Temperatur von 20°C zu 1700 mg/l oder 1,7g/l in Wasser. Um die notwendigen 11000 mg/l zu lösen, muss der Druck daher bei ansonsten gleichen Bedingungen etwa das Sechseinhalbfache des Normaldrucks, also etwa 6,5 bar, betragen.

Bei 6,5 bar Druck und einer Atmosphäre, die allein aus CO2 besteht, sind die erforderlichen 11000 mg/l CO2 gelöst. Gleichsam befinden sich 0, 36 mmol/l Kohlensäure im Wasser, die einen messbaren Anstieg der KH um 1° dKH nach sich ziehen sollen.

Folgerungen aus den nötigen Rahmenbedingungen

Daraus folgt, dass der propagierte Anstieg der KH durch gebildete Kohlensäure – sofern er denn tatsächlich existiert – entweder unter aquaristischen Bedingungen mit bis höchstens dreistelligen mg/l CO2 so gering ausgeprägt ist, dass er weder messtechnisch noch praktisch ins Gewicht fällt. Oder aber, dass ein erheblicher technischer Aufwand erforderlich ist, damit der KH Anstieg auch messtechnisch zum Tragen kommt. Der postulierte Effekt ist daher – sofern er existiert – in der Praxis ohne Bedeutung.

Kohlensäure erhöht weder die Karbonathärte noch das Säurebindevermögen

Die Karbonathärte, die Säurekapazität oder das Säurebindevermögen bis pH 4,3 (SBV) wird aber auch dann nicht erhöht, wenn hinreichend Kohlensäure im Wasser vorliegt, weil bei der entstanden Kohlensäure jedem Hydrogencarbonat-Anion bereits ein Proton gegenüber steht. Kohlensäure besitzt daher folgerichtig keine Säurepufferkapazität oder Säurebindevermögen.

Auswirkung hoher CO2 Konzentrationen auf Messergebnisse

Tatsächlich führen hohe CO2-Konzentrationen sogar zu einem Minusfehler bei der Titration zur Bestimmung des SBV mit Salzsäure. Das Messergebnis fällt also niedriger aus, als tatsächlich an Puffervermögen vorliegt. Um bei CO2 reichen Wässern diesen Minusfehler zu vermeiden, ist vor der Titration CO2 entsprechend auszutreiben, beispielsweise durch Airstripping.

Eine Erhöhung der KH durch CO2-Düngung kann allerdings auf indirektem Wege über Lösung von Kalk durch die entstehende Kohlensäure geschehen.

Folgerungen für die aquaristische Praxis

Für das von AquaRichtig beschrieben Szenario einer Erhöhung der Karbonathärte oder genauer des SBV durch CO2-Zufuhr gebildete Kohlensäure sind die hypothetischen Voraussetzungen im Aquarium nur mit erheblichem technischen Aufwand herzustellen. Zudem ist die These, CO2 führe durch gebildete Kohlensäure zu einer Erhöhung der Karbonathärte, schon ansich sachlich nicht begründbar, da die beim Lösen von CO2 im Wasser gebildete Kohlensäure das SBV nicht erhöht.

Im Wasser gelöstes CO2 vermag die Karbonathärte respektive des Säurebindevermögen bis pH 4, 3 grundsätzlich nicht zu erhöhen. Die entstehende Kohlensäure hat keine Säurebindevermögen. Tatsächlich führen hohe CO2-Konzentrationen zu einem nach unten verfälschten Messergebnis bei der KH-Titration. Naturgemäß steigt die Basekapazität proportional zur Konzentration an freier Kohlensäure (CO2 und H2CO3).

Referenzen, weiterführende Literatur und externe Links

  1. Wiberg, N. (1995): Lehrbuch der anorganischen Chemie. 101. Aufl., deGruyter, Berlin, S.859-864.
    1. S.860