Definition der Karbonathärte

Die Karbonathärte (KH) ist ein Teil der Gesamthärte des Wassers. Die Gesamthärte setzt sich aus der Permanenthärte und der Temporärhärte, der hier beschriebenen Karbonathärte, zusammen. In deutschem Leitungswasser beträgt die Karbonathärte meistens ca. 60 % der Gesamthärte.

Die Karbonathärte ist der Gehalt an Erdalkali-Ionen, in der Hauptsache Magnesium (Mg) und Calcium (Ca) in Spuren Barium und Strontium, der zusammen mit Carbonat-Ionen (CO₃^2-) und Hydrogenkarbonat-Ionen (HCO₃^-), im Wasser gelöst sind. Die Karbonathärte umfasst also nur die Erdalkali-Ionen, die als gelöste Karbonate oder Hydrogencarbonate vorliegen. Karbonate sind chemische Verbindungen, die Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O) enthalten und Salze der Kohlensäure sind. Um als Karbonathärtebildner zu gelten, muss also jedes Karbonat- und jedes Hydrogenkarbonat-Ion ein Kalzium- oder Magnesium-Kation finden können.

Wird z. B. Natriumhydrogenkarbonat (NaHCO₃) in Wasser gegeben, dessen Karbonathärte kleiner ist als die Gesamthärte, erhöht sich die Karbonathärte so lange, bis sie gleich der Gesamthärte ist. Weil die zugegebenen Hydrogenkarbonat-Ionen nun aber keinen Kalzium- oder Magnesiumionen zuzuordnen sind, steigt die Karbonathärte nicht weiter. Das zugebenene Natrium-Ion zählt nicht für die Härte, da es ein Alkali-Ion ist. Die Konzentration von Natriumhydrogenkarbonat kann also höher sein als die entsprechende Konzentration von Kalzium und Magnesium zusammen. Aber die Karbonathärte kann nicht weiter steigen, da keine weiteren Erdalkali-Ionen vorliegen.

Die Karbonathärte wird auch Temporärhärte genannt, weil es sich dabei um den Anteil an der Gesamthärte handelt, der durch Kochen des Wassers ausgeschieden wird. Beim Kochen werden die Hydrogenkarbonate in schwer lösliche Karbonate umgewandelt. Es setzt sich Kesselstein ab, eine Mischung aus Magnesium- und Calciumcarbonat.

Die Karbonathärte kann also bestimmt werden, indem die Gesamthärte vor und nach dem Kochen gemessen wird. Die Karbonathärte ist Gesamthärte vor dem Kochen - Gesamthärte nach dem Kochen. Die durch Kochen nicht zu beseitigende Härte ist die Permanenthärte. Vor mehr als 100 Jahren wurde die Karbonathärte so gemessen. Heute stehen Tropfentests sowohl für die Messung der Karbonathärte als auch für die Messung der Gesamthärte zur Verfügung. Bei den Tropfentests hat sich allerdings der einfache Test des Säurebindungsvermögens durchgesetzt. Da die Hydrogencarbonat-Ionen bei der Zugabe von stärkerer Säure nach und nach zersetzt werden, kann direkt gemessen werden, wie viel Säure benötigt wird um alles HCO₃^– umzusetzen. Das ist bei einem pH von 4,3 erfolgt. Die meisten Tests sind somit ein pH-Indikator der bei pH 4,5 bis 4,3 seine Farbe ändert und eine definierte Säure, z. B. 1 Tropfen bedeutet bei 5 ml Wasser einen Wert von umgerechnet 1 kH. Da hier aber nicht die Partner des Hydrogencarbonats betrachtet werden, ist diese Messung nich 100 % korrekt. Da sie aber einfach ist, ist sie sehr verbreitet. Diese Testmethode heißt Säurebindungsvermögen (SBV).

Die Karbonat-Ionen und die Hydrogenkarbonat-Ionen bilden ein Gleichgewicht nach der Formel CO₂ + H₂O <-> H₂CO₃ <-> H⁺ + HCO₃^-. Hier gilt das Massenwirkungsgesetz. Das Gleichgewicht hängt vom pH-Wert ab. Bei höheren pH-Werten steigt die Zahl der Hydrogenkarbonat-Ionen. Bei niedrigeren pH-Werten steigt die Zahl der Karbonat-Ionen. Bei einem pH-Wert von 10,3 liegen die Karbonat-Ionen und die Hydrogenkarbonat-Ionen in gleicher Konzentration vor.

Wird Kohlendioxid in vollentsalztes Wasser gegeben, z. B. in Osmosewasser, sinkt entsprechend der Formel der pH-Wert durch die entstehende Kohlensäure schnell auf etwa 4,5 ab. An diesem Punkt steht das gelöste CO₂ mit dem Hydrogenkarbonat im Gleichgewicht.

Ist aber wasserunlöslicher Kalk im Wasser, entsteht durch eine Reaktion mit Kohlensäure wasserlösliches Kalziumhydrogenkarbonat Ca(HCO₃)₂ nach der Formel CaCO₃ + H₂CO₃ <-> Ca(HCO₃)₂. Der pH-Wert steigt. Kalziumkarbonat im Wasser wirkt also zusätzlichem Kohlendioxid entgegen. Die Karbonathärte puffert den pH-Wert gegen plötzlichen Abfall.

Wird durch Belüftung oder Erhitzen Kohlendioxid aus vollentsalztem Wasser ausgetrieben, steigt der pH-Wert schnell an, weil Hydrogenkarbonat-Ionen verlorengehen. Bei vorhandener Karbonathärte, wenn also Ca(HCO₃)₂ im Wasser ist, wird ein Teil des Ca(HCO₃)₂ nach der Formel CaCO₃ + H₂CO₃ <-> Ca(HCO₃)₂ in Kalk CaCO₃ und Kohlensäure H₂CO₃ umgewandelt. Die Karbonathärte puffert also gegen den plötzlichen Anstieg des pH-Werts.

Weil bei pH-Werten unter 8,3 fast kein Karbonation CO₃^2- mehr vorhanden ist, sind Karbonat-Ionen für die Aquaristik weitgehend uninteressant, sondern es wird praktisch nur das Hydrogenkarbonat-Ionen betrachtet.

Die optimale Karbonathärte

Der Wert der Karbonathärte für die Aquaristik liegt darin, dass sie den pH-Wert stabilisiert. Für die meisten Aquarien ist ein pH-Wert zwischen 3 und 10° dKH optimal. In der Regel hat eine höhere Karbonathärte einen höheren pH-Wert zur Folge (*weitere Säuren sind denkbar*). Sollen Fische gepflegt werden, die eine sehr niedrige Karbonathärte benötigen, müssen besondere Maßnahmen ergriffen werden, damit der pH-Wert stabil bleibt.

Viele der sauren Gewässer in Südamerika weisen ebenfalls eine sehr geringe Fischdichte und fast keine Wasserpflanzen auf. Mit geringer Fischdichte ist nicht der cm Fisch auf 2l Beckenvolumen gemeint, sondern wirklich wenig Fische!

Pflanzen verbrauchen bei der Photosynthese Kohlendioxid. Bei großer Lichtstärke ist die Photosynthese entsprechend stark. Der pH-Wert schwankt im Verlauf des Tages stärker. Dabei darf nicht außer Acht gelassen werden, dass Pflanzen in der Nacht CO₂ produzieren. Das ist zwar weniger als tagsüber wieder per Photosynthese verbraucht wird, aber doch merklich. Diese Verbrauch am Tag und die Produktion in der Nacht führen zu den Schwankungen, wenn das Becken nicht über einen entsprechenden Puffer verfügt.

Einige Pflanzen entziehen dem Wasser Hydrogenkarbonat-Ionen als Quelle für Kohlendioxid (biogene Entkalkung). Die Karbonathärte kann weiter sinken, bis der pH-Wert gefährlich instabil ist. Ein Verlust von 1° kH pro Tag ist dabei realistisch. Um Nitrat oder Phosphat aus dem Wasser zu verbrauchen, können deshalb auch einige Zimmerpflanzen - Efeutute oder Philodendron - genutzt werden. Auch bei Schwimmpflanzen, z. B. Muschelblumen, wird zumindest ein Teil des CO₂ aus der Luft genutzt.

Biogene Entkalkung

Bei pH-Werten zwischen 7 und 8 zerfällt das Kalciumhydrogenkarbonat nach der Formel Ca(HCO₃)₂ <-> CaCO₃ + H₂CO₃. Wenn der pH-Wert so hoch ist, dass sowohl Hydrogenkarbonat-Ionen als auch Karbonat-Ionen vorhanden sind, kann Kalk (CaCO₃) ausfallen. Weil dazu auch viel Kalzium (Ca) vorhanden sein muss, kann das nur bei pH-Werten über 8,3 geschehen.

Bei starker Assimilation der Pflanzen kann der Kalk direkt auf der Blattoberfläche anfallen. Dieser Effekt wird biogene Entkalkung genannt. Bei biogener Entkalkung sinkt die Karbonathärte im Wasser bei gleichzeitig hohen pH-Werten. Einige Pflanzenarten, z. B. Wasserpest, entnehmen dabei benötigtes Kohlendioxid (CO₂) aus dem Wasser auf. Biogene Entkalkung ist deshalb ein Anzeichen, dass eine zusätzliche CO₂-Versorgung notwendig ist.

Zu erkennen ist die biogene Entkalkung an sandig-rauen Blättern. Wird das Blatt, z. B. einer Vallisnerie, durch die Finger gezogen, spürt man die vielen kleinen Calcit-Kristalle wie feinen Schmirgel.

"Aquaristische" Karbonathärte = Säurebindungsvermögen

In der Aquaristik wird der Begriff Karbonathärte oftmals missverständlich verwendet.

Tests für die Karbonathärte in der Aquaristik messen alle Karbonat- und Hydrogenkarbonat-Ionen ohne Rücksicht auf die Erdalkali-Ionen. Gemessen wird also nicht die oben definierte Karbonathärte. Gemessen wird die Säurekapazität. Die Säurekapazität wird auch als Säurebindungsvermögen (SBV) bezeichnet.

Die Säurekapazität misst die Pufferkapazität des Wassers gegenüber Säuren. Sie bestimmt damit, wie stabil der pH-Wert ist. Die Säurekapazität gibt an, wie viel Säure benötigt wird, um bei einer bestimmten Wassermenge einen pH-Wert von 4,3 zu erreichen. Dabei wird in der Praxis meistens 0,1 mol/Liter Salzsäure zusammen mit einem Indikator, der bei pH 4,3 seine Farbe wechselt, verwendet.

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In der Aquaristik wird die Karbonathärte deshalb häufig als der Gehalt an Hydrogenkarbonaten bezeichnet, die die Zugabe von Säure abpuffern können. Weil auch andere Kationen als Kalzium und Magnesium Hydrogenkarbonate binden, z. B. Natrium, ist die Karbonathärte nach dieser Definition mindestens ein Teil der Gesamthärte. Die Karbonathärte kann nach dieser Definition aber auch größer als die Gesamthärte sein. Eigentlich ist dann aber das Säurebindungsvermögen größer als die Gesamthärte.

In den meisten natürlichen Gewässern entspricht die Karbonathärte der Säurekapazität bis pH 4,3. Ausnahmen sind z. B. die Sodagewässer in Zentralafrika.

Mittel zur Erhöhung der Karbonathärte, wie KH-Plus, enthalten dementsprechend kein Kalziumsalz, das die Karbonathärte erhöhen würde. Sie enthalten Natriumhydrogenkarbonat und erhöhen das Säurebindungsvermögen. Da in der Regel die Gesamthärte hoch genug ist, d. h. genug Erdalkali-Ionen vorhanden sind, erhöht sich aber auch die Karbonathärte.

Weil für die Aquaristik das Säurebindungsvermögen bzw. die Stabilität des pH-Werts die eigentlich für Fische und Pflanzen interessante Größe ist, kommt es durch die falsche Bezeichnung als Karbonathärte zwar immer wieder zur Verwirrung, aber normalerweise nicht zu kritischen Fehlern.

Die Karbonathärte aus der Säurekapazität berechnen

Auf Anfrage stellen die Wasserversorger kostenlos die Wasserwerte des Trinkwassers zur Verfügung. Die Karbonathärte kann aus der Säurekapazität berechnet werden:

• Karbonathärte = Säurekapazität x 2,8