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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+H2O⇌H2CO3

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

CO2 (atm)⇌CO2 (aq)

CO2+H2O⇌H2CO3

Kohlenstoffdioxid+Wasser⇌Kohlensäure

CO2+2H2O⇌H3O++HCO3−

Kohlenstoffdioxid+Wasser⇌Oxonium−Ion+Hydrogencarbonat−Ion

HCO3−+H2O⇌H3O++CO32−

Hydrogencarbonat−Ion+Wasser⇌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 CO2 vor (H3O++HCO3−⇌CO2+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.

CaCO3⇌Ca2++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−+H2O⇌HCO3−+OH−

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

Na2CO3+H2O⇌NaHCO3+NaOH

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