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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 $CO_{2}$ -Gehalt der Atmosphäre abhängig, ein steigender $CO_{2}$ -Gehalt führt zu Versauerung.

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

C O_{2} + H_{2} O ⇌ H_{2} C O_{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 ( $HCO_{3}^{-}$ ):

C O_{2} (atm) ⇌ C O_{2} (a q)

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

C O_{2} + H_{2} O ⇌ H_{2} C O_{3}

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

K o h l e n s t o f f d i o x i d + W a s s e r ⇌ K o h l e n s ä u r e

$Kohlenstoffdioxid + Wasser \rightleftharpoons Kohlensäure$

C O_{2} + {2 H}_{2} O ⇌ H_{3} O^{+} + H C O_{3}^{-}

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

K o h l e n s t o f f d i o x i d + W a s s e r ⇌ O x o n i u m - I o n + H y d r o g e n c a r b o n a t - I o n

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

HC O_{3}^{-} + H_{2} O ⇌ H_{3} O^{+} + C O_{3}^{2 -}

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

H y d r o g e n c a r b o n a t - I o n + W a s s e r ⇌ O x o n i u m - I o n + C a r b o n a t - I o n

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

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.

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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 ( $\text{CaC}O_{3}$ ) gebildet.

CaC O_{3} ⇌ C a^{2 +} + C O_{3}^{2 -}

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

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

C O_{3}^{2 -} + H^{+} ⇌ H C O_{3}^{-}

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

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.

C O_{3}^{2 -} + H_{2} O ⇌ H C O_{3}^{-} + O H^{-}

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

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

N a_{2} C O_{3} + H_{2} O ⇌ NaHC O_{3} + N a O H

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

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