pH-Regulation im Meer

Der momentan bei um die 8 im leicht basischen liegende pH-Wert der meisten Meere ist stark vom $CO_{2}$-Gehalt der Atmosphäre abhängig, ein steigender $CO_{2}$-Gehalt führt zu Versauerung.

Theoretisch entstünde bei der Reaktion von Kohlenstoffdioxid in Wasser Kohlensäure ($H_{2}CO_{3}$):

$$CO_{2} + H_{2}O \rightleftharpoons H_{2}CO_{3}$$

Allerdings dissoziiert die Säure aufgrund ihrer Instabilität sofort wieder. So entstehen Carbonat- ($CO_{3}^{2 -}$) und Hydrogencarbonat-Ionen ($HCO_{3}^{-}$):

$$CO_{2}\ \left( \text{atm} \right) \rightleftharpoons CO_{2}\ (aq)$$

$$CO_{2} + H_{2}O \rightleftharpoons H_{2}CO_{3}$$

$$Kohlenstoffdioxid + Wasser \rightleftharpoons Kohlensäure$$

$$CO_{2} + {2H}_{2}O \rightleftharpoons H_{3}O^{+} + HCO_{3}^{-}$$

$$Kohlenstoffdioxid + Wasser \rightleftharpoons Oxonium - Ion + Hydrogencarbonat - Ion$$

$$\text{HC}O_{3}^{-} + H_{2}O \rightleftharpoons H_{3}O^{+} + CO_{3}^{2 -}$$

$$Hydrogencarbonat - Ion + Wasser \rightleftharpoons Oxonium - Ion + Carbonat - Ion$$

Bei den letzten beiden Reaktionen handelt es sich um Säure-Base-Reaktionen, all diese Reaktionen sind Gleichgewichtsreaktionen. Von diesen Stoffen liegen die Hydrogencarbonat-Ionen mit ca. 96% am häufigsten vor.

Die Reaktivität des gelösten Kohlenstoffs mit Wasser hängt von dem elektrostatischen Einfluss anderer Ionen (z. B. Hydrogencarbonat, Carbonat-, Calcium-, Magnesium- und Natrium-Ionen) ab.

Hydrogencarbonat-Ionen sind Ampholyte und können so als Base oder Säure je nach pH-Wert reagieren (im Sauren basisch, im Basischen sauer). So liegt bei niedrigem pH-Wert viel $CO_{2}$ vor ($H_{3}O^{+} + HCO_{3}^{-} \rightleftharpoons CO_{2} + {2H}_{2}O$) und bei hohem pH-Wert viele Carbonat-Ionen vor.

Puffer

Der sinkende pH-Wert wird durch die entstehenden Oxonium-Ionen bewirkt. Diese zu binden wirkt somit einer Versauerung entgegen. So wirken zum Beispiel das bei niedrigem pH-Wert Oxonium-Ionen aufnehmende Hydrogencarbonat- und Carbonat-Ion der Versauerung entgegen. Dieses Puffersystem wird zudem durch die Anwesenheit von Calciumcarbonat ($\text{CaC}O_{3}$) gebildet.

$$\text{CaC}O_{3} \rightleftharpoons Ca^{2 +} + CO_{3}^{2 -}$$

Das entstehende Carbonat-Ion kann bindet ein Proton und wirkt als Hydrogencarbonat weiterhin als Puffer:

$$CO_{3}^{2 -} + H^{+} \rightleftharpoons HCO_{3}^{-}$$

Das Calciumcarbonat gelangt durch Sedimente am Meeresboden und Süßwasserzufluss in das Meer.

Gleiche Beziehungen gelten für $Na_{2}CO_{3}$ beziehungsweise $\text{NaHC}O_{3}$ (wobei hier durch die direkte Bildung von $\text{HC}O_{3}^{-}$ ein Proton weniger aufgenommen werden kann).

Bei der Dissoziation von $Na_{2}CO_{3}$ in Wasser reagiert das Carbonat-Ion mit einem Proton aus dem Dissoziationsgleichgewichts des Wassers zu Hydrogencarbonat und eine entsprechend hohe Hydroxidionenkonzentration entsteht – es wird basisch.

$$CO_{3}^{2 -} + H_{2}O \rightleftharpoons HCO_{3}^{-} + OH^{-}$$

Zudem kann es zur direkten Reaktion von Natriumcarbonat mit Wasser kommen.

$$Na_{2}CO_{3} + H_{2}O \rightleftharpoons \text{NaHC}O_{3} + NaOH$$