pH-Regulation im Meer

Der momentan bei um die 8 im leicht basischen liegende pH-Wert der meisten Meere ist stark vom CO2-Gehalt der Atmosphäre abhängig, ein steigender CO2-Gehalt führt zu Versauerung.

Theoretisch entstünde bei der Reaktion von Kohlenstoffdioxid in Wasser Kohlensäure (H2CO3):

CO2+H2OH2CO3

Allerdings dissoziiert die Säure aufgrund ihrer Instabilität sofort wieder. So entstehen Carbonat- (CO32) und Hydrogencarbonat-Ionen (HCO3):

CO2 (atm)CO2 (aq)

CO2+H2OH2CO3

Kohlenstoffdioxid+WasserKohlensäure

CO2+2H2OH3O++HCO3

Kohlenstoffdioxid+WasserOxoniumIon+HydrogencarbonatIon

HCO3+H2OH3O++CO32

HydrogencarbonatIon+WasserOxoniumIon+CarbonatIon

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 CO2 vor (H3O++HCO3CO2+2H2O) und bei hohem pH-Wert viele Carbonat-Ionen vor.

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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 (CaCO3) gebildet.

CaCO3Ca2++CO32

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

CO32+H+HCO3

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

Gleiche Beziehungen gelten für Na2CO3 beziehungsweise NaHCO3 (wobei hier durch die direkte Bildung von HCO3 ein Proton weniger aufgenommen werden kann).

Bei der Dissoziation von Na2CO3 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.

CO32+H2OHCO3+OH

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

Na2CO3+H2ONaHCO3+NaOH

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