Aufgrund des sogenannten Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichts besteht ein Zusammenhang zwischen dem pH-Wert, CO₂-Gehalt und der Karbonathärte (KH) von Wasser. Oft werden diese Werte in einer Tabelle zusammengefasst. Wir zeigen Euch hier, was es damit auf sich hat.

Das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht

Mit dem sogenannten Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht ist das chemische Gleichgewicht zwischen Kohlensäure beziehungsweise Kohlendioxid und Calciumcarbonat (CaCO₃) gemeint. Ist diese Balance vorhanden, enthält eine wässrige Lösung keine freie Kohlensäure mehr. Sie ist dann weder in der Lage, Kalk aufzulösen, noch auf der anderen Seite Kalk abzuscheiden.
Die sogenannte freie Kohlensäure liegt nahezu komplett in der Form von CO₂ vor, lediglich ein kleiner Teil von ca. 0,7% reagiert mit Wasser (H₂O) zu hydratisierter Kohlensäure H₂CO₃:
CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃

Abhängig vom pH-Wert des Wassers bildet sich oder zerfällt die Kohlensäure in noch andere Stoffe. Hierzu ist folgende Reaktionsgleichung von Belang:
H₂CO₃ ↔ H⁺ + HCO₃^-

Die Kohlensäure kann also weiter zerfallen zu H+-Ionen und Hydrogencarbonat (HCO₃^-). Letzteres kann dann wiederum in einem nächsten Schritt zerfallen zu H+-Ionen und Carbonat:
HCO₃^- ↔ H⁺ + CO₃^2-

Wie bereits oben erwähnt, sind diese Reaktionen stark abhängig vom pH-Wert im Wasser. Liegen wenige H+ Ionen vor, ist der pH-Wert also eher hoch, entstehen deutlich mehr Carbonate und Hydrogencarbonate (CO₃^2- und H₂CO₃). Sind jedoch mehr H+-Ionen im Wasser, ist der pH-Wert niedriger. Dann läuft die Reaktion eher in die andere Richtung und es bildet sich mehr Kohlensäure und letztendlich deutlich mehr CO₂ (und Wasser).

Biogene Entkalkung

Hydrogencarbonate (H₂CO₃) sind im Wasser gut löslich, Carbonate (CO₃^2-) jedoch deutlich weniger. Diese verbinden sich mit den im Wasser gelösten Calcium-Ionen und können dann als Kalk (CaCO₃) ausfallen. Im Aquarium kann solch ein Kalkbelag mitunter zusehen sein, etwa als weißliche Ablagerungen auf Pflanzenblättern oder anderer Dekoration. Dies passiert in der Regel dann, wenn die Wasserpflanzen eine biogene Entkalkung vornehmen, welche durch einen CO₂-Mangel verursacht wird, sprich kaum noch freies CO₂ vorliegt. Die Pflanzen holen sich dann ihren erforderlichen Kohlenstoff aus den im Wasser befindlichen Hydrogencarbonat. Dadurch steigt der pH-Wert und das Massenverhältnis schiebt sich in die Richtung von Carbonat. Wird die Löslichkeitsgrenze der Carbonate und von Calcium im Wasser erreicht, fallen diese dann als Feststoff (Kalk) aus, der dann diese sichtbaren Beläge auf den Pflanzenblättern darstellt.

Kohlensäure und deren Formen

Kohlensäure kann Kalk (CaCO₃) auflösen und in Calciumhydrogencarbonat umwandeln [Ca(HCO₃)₂]. Dies entsteht oft in einem Aquarium, welches mit CO₂ gedüngt wird und aber auch kalkhaltige Steine als Dekoration enthält. Die Kohlensäure aus der CO₂-Einspeisung zersetzt die Kalkeinschlüsse aus den Steinen. Folglich steigen sowohl KH und GH des Wassers an und letztendlich dadurch auch der pH.

Das in Carbonaten integrierte CO₂ wird auch als gebundene Kohlensäure bezeichnet. Halb-gebundene Kohlensäure ist der Anteil an CO₂, der in Hydrogencarbonat [Ca(HCO₃)₂] gebunden ist.
Zusammen mit der freien Kohlensäure (hier CO₂) sind also insgesamt drei verschiedene Formen der Kohlensäure möglich, die auch miteinander koexistieren können. Dies hängt wie erwähnt vom pH-Wert ab.

Urheber des Bildes: Johannes Kalliauer - Eigenes Werk über Wikimedia Commons, Lizenz: CC BY-SA 4.0, Quellennachweis.

Das gleichzeitige Auftreten zweier Formen wird in diesem Fall als "zugehörige" Kohlensäure zur anderen Form betitelt. Der Gehalt in Hydrogencarbonaten im Wasser wird in der Aquaristik auch gerne als Karbonathärte (KH) ausgedrückt. Davon ausgehend wird der entsprechende Anteil an CO₂ als “zugehörig” betrachtet bzw. als “zugehörige Kohlensäure” festgelegt.
Hydrogencarbonate würden weiter zerfallen, wenn nicht die passende freie "zugehörige" Kohlensäure in Form von CO₂ vorhanden wäre. Daher kann man auch sagen, dass sich das Wasser im Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht befindet, wenn die Menge der freien Kohlensäure der Menge der zugehörigen Kohlensäure entspricht. In der Balance ist dann kein weiteres überschüssiges CO₂ vorhanden.
Bei einer zu geringen Konzentration freier zugehöriger Kohlensäure kann es daher zur Bildung von Kalk in Form von Ausfällungen kommen. Die Hydrogencarbonate werden dann instabil und zerfallen weiter zu Carbonaten, welche mit dem im Wasser vorhandenen Calcium dann Kalk bilden können.
Ist jedoch mehr freie als zugehörige Kohlensäure vorhanden, dann ist das Wasser kalkaggressiv und strebt durch Lösung von Kalk wieder den Gleichgewichtszustand an.

Die KH-pH-CO₂-Tabelle

Basierend auf den oben beschriebenen Zusammenhängen lässt sich folgende Tabelle erstellen. Hier kann man, abhängig von einem bestimmten pH und KH, dann den CO₂-Wert ablesen.

Der CO₂-Gehalt ist zudem farblich gekennzeichnet und zwar ähnlich so wie die Farbgestaltung eines CO₂-Dauertests so gestaltet, dass für den Wuchs von Wasserpflanzen Sinn ergibt. Ausreichende CO₂-Konzentrationen sind hier mit grüner Farbe hinterlegt. Blau bedeutet zu wenig Kohlendioxid für Aquarienpflanzen, eine gelbe Farbe steht für eine zu hohe CO₂-Konzentration, die bei den Aquarienbewohnern mitunter für Probleme sorgen könnte.

Verwendung der Tabelle in der Aquaristik

Die alles entscheidende Frage für den Aquarianer ist natürlich, inwieweit lässt sich diese Tabelle in der Praxis verwenden? Zunächst einmal sei erwähnt, dass es sich hierbei um ein rein theoretisches Konstrukt handelt, bei dem andere Faktoren keinen Einfluss auf die Parameter pH, KH und CO₂ haben. In einem Aquarium kann das jedoch durchaus anders aussehen, da sich im Aquarienwasser noch andere im Wasser befindliche Stoffe befinden, die diese Parameter beeinflussen können. Vor allem gibt es neben der Karbonathärte noch andere Puffersysteme, welche den pH-Wert stabilisieren können. Dazu zählen vor allem Huminstoffe und Phosphate, welche in der Regel mehr oder weniger in einem Aquarium vorkommen können. Phosphat kommt häufig durch Aquariendünger, aber auch als Abbauprodukt von Fischausscheidungen ins Wasser, Huminstoffe etwa durch eingebrachte Wurzeln, andere Naturmaterialien wie Torf, Erlenzäpfchen und natürlich Huminstoff-Präparate.

Diese weiteren Elemente im Wasser können das Verhältnis von pH, KH und CO₂ verzerren und somit die Werte der Tabelle beeinflussen. Viele Aquarianer wenden die Tabelle falsch an und benutzen Sie als Testmittel zum Ermitteln des CO₂-Gehaltes in Echtzeit. Hierzu werden die per Tröpfchentest ermittelten Werte von KH und pH verwendet, um anhand der Tabelle dann den CO₂-Wert zu berechnen. In der Realität sieht der aber aufgrund der anderen Störfaktoren doch deutlich anders aus. Um die CO₂-Konzentration unabhängig bestimmten zu können, ist ein sogenannter Dauertest samt Testreagenz nötig. Hierzu hat die Testflüssigkeit eine fest eingestellte und vom Aquarienwasser unabhängige KH, die dann ein verlässliches Ergebnis anzeigt.

Jedoch ist die KH-pH-CO₂-Tabelle daher nicht komplett unnütz, bietet sie doch einen ersten Anhaltspunkt und groben Richtwert, wie es zumindest theoretisch um die damit verbundenen Wasserwerte steht. Vor allem zur Einstellung eines pH-Controllers ist die Tabelle eine gute Starthilfe. Lediglich als direkter CO₂-Test sollte diese Tabelle eher nicht verwendet werden.