Karbonatsystem und Alkalinität

Das Karbonatsystem ist der dominierende Säure-Basen-Puffer natürlicher Gewässer, der gelöstes Kohlendioxid, Bikarbonat und Karbonat mit dem pH-Wert und der Alkalinität verbindet.

Definition

Die gekoppelten Gleichgewichte gelöster anorganischer Kohlenstoffspezies, die den pH-Wert natürlicher Gewässer puffern, zusammen mit der Alkalinität als Maß für die Säureneutralisationskapazität.

Scope

Dieses Thema behandelt die Gleichgewichte zwischen Kohlendioxid, Kohlensäure, Bikarbonat- und Karbonationen, die Definition und Messung der Alkalinität, die Pufferung natürlicher Gewässer und des Meerwassers sowie die Reaktion des Systems auf zugesetzte Säure, Base oder Kohlendioxid.

Core questions

• Wie sind die Karbonatspezies in Abhängigkeit vom pH-Wert verteilt?
• Was misst die Alkalinität und wie wird sie erhalten?
• Warum senkt die Zugabe von Kohlendioxid den pH-Wert des Wassers?
• Wie steuert das Karbonatsystem die Sättigung von Karbonatmineralien?

Key theories

Karbonatgleichgewicht und Alkalinitätserhaltung

Gelöster anorganischer Kohlenstoff verteilt sich gemäß pH-abhängigen Gleichgewichten auf CO2, Bikarbonat und Karbonat, während die Alkalinität, die Protonenakzeptorkapazität, beim Kohlendioxidaustausch erhalten bleibt und die Pufferung natürlicher Gewässer gewährleistet.

Mechanisms

Kohlendioxid löst sich und hydratisiert zu Kohlensäure, die in zwei Schritten dissoziiert. Die relative Häufigkeit von Bikarbonat und Karbonat verschiebt sich mit dem pH-Wert, während die Alkalinität bei Zugabe oder Entzug von Kohlendioxid konstant bleibt, weshalb die Kohlendioxidaufnahme den pH-Wert und die Karbonationenkonzentration senkt, ohne die Alkalinität zu verändern.

Clinical relevance

Das Karbonatsystem bestimmt die Pufferkapazität, die bei der Wasseraufbereitung genutzt wird, und die Karbonatsättigung, die die Auflösung von Kalziumkarbonat steuert; seine Störung durch anthropogenes Kohlendioxid führt zur Ozeanversauerung.

History

Die quantitative Behandlung des Karbonatsystems in natürlichen Gewässern wurde im Laufe des 20. Jahrhunderts durch die physikalische Chemie und Ozeanographie entwickelt und in Lehrbüchern der aquatischen Chemie kodifiziert.

Seminal works

• stumm1996
• hoeghguldberg2007

Frequently asked questions

Warum bleibt die Alkalinität konstant, wenn Kohlendioxid hinzugefügt wird?

Die Zugabe von Kohlendioxid verändert die Verteilung der Kohlenstoffspezies und senkt den pH-Wert, fügt aber keine Netto-Protonenakzeptorladung hinzu, sodass die Gesamtalkalinität erhalten bleibt.