Die Karbonathärte im Süßwasseraquarium messen

Auf den Begriff der Wasserhärte stößt jeder Aquarianer früher oder später. Gerade im Zusammenhang mit dem pH-Wert spielt dabei die Karbonathärte eine wichtige Rolle. Was aber ist die Karbonathärte? Wie wird sie gemessen? Wie kann man sie im Aquarium senken oder erhöhen? Und welche Bedeutung hat sie eigentlich im Aquarium? Diese und andere Fragen soll diese Artikelreihe beantworten.

Nachdem ich die chemischen Grundlagen und die Bedeutung der Karbonathärte im Süßwasseraquarium erläutert habe und beschreiben habe wie die Karbonathärte gesenkt und erhöht wird, soll es hier nun darum gehen, die Karbonathärte Süßwasseraquarium zu messen.

Karbonathärte messen

Die Karbonathärte bestimmen wir titrimetrisch (altgr. titer=Tropfen).
In die Wasserprobe bekannten Volumens geben wir einen Indikator (Mischindikator nach Mortimer). Nun wird langsam 0,1 normale (= 0,1 mol/l) HCl (Salzsäure) zugetropft und das Probengefäß nach jedem Tropfen leicht geschwenkt, um eine gute Durchmischung zu erzielen. Ist sämtliche „Karbonathärte“ aufgebraucht, schlägt der Indikator von blau nach grün um. Der Verbrauch von 3,6 ml 0,1 n HCl pro Liter Probevolumen entspricht hier also 0,36 mmol/l Hydrogencarbonat oder 1°dKH. Bei der Messung werden in der Praxis kleinere Volumina (z.B. 100 ml) benutzt und das Messergebnis entsprechend auf den Liter umgerechnet.
Mit aquaristischen Tropftests wird die KH nach dem gleichen Prinzip gemessen. Die meisten handelsüblichen Messbestecke haben Indikator und Salzsäure in einer Reagenz vereint. Dabei wird nach Anleitung tropfenweise KH-Testreagenz zugegeben und vorsichtig durch Umschwenken durchmischt, bis ein beständiger Farbumschlag erfolgt. Ein Tropfen Reagenz entspricht in der Regel beim jeweils vorgegebene Probevolumen Aquarienwasser 1°dKH. Nachgewiesen wird dabei allerdings das Säurebindevermögen bis pH 4,3 (SBV).
Auch andere Wasserinhaltsstoffe beeinflussen das Messergebnis des SBV. So täuschen 0,36 mmol (35 mg/l) Dihydrogenphosphat H2PO4 oder etwa 6 mg/l Ammoniak 1°dKH vor. Messfehler der KH durch Phosphat und Ammoniak spielen im Normalfall in der Aquaristik aufgrund der zur Verfälschung nötigen Konzentration eine eher untergeordnete Rolle und beeinflussen das Meßergebnis nicht in bedeutendem, meist sogar nicht einmal merklichem Maße. Unter üblichen Rahmenbedingungen im Aquarium spielen diese Queranfälligkeiten daher keine Rolle.

Kann die Karbonathärte höher als die Gesamthärte sein?

Manchmal wird eine höhere Karbonat- als Gesamthärte gemessen. Dies erscheint zunächst widersprüchlich, da definitonsgemäß die Karbonathärte Teil der Gesamthärte ist und ein Teil nie größer als das Ganze sein kann.
Da die „Karbonathärtetests“ aber nicht die Karbonathärte sondern das Säurebindevermögen bestimmen, löst sich dieser Widerspruch schnell auf. Es werden nicht nur die Carbonat- und Hydrogancarbonat-Ionen erfasst, welche Erdalkalimetall-Ionen gegenüberstehen und so zur Karbonathärte im eigentlichen Sinn gehören, sondern alle, egal aus welchen Salzen sie stammen. Prinzipiell ist es daher sinnvoll, den Wortbestandteil Härte herauszusteichen. Der Test misst einfach (Hydrogen)Carbonat.

Die Karbonathärte im Süßwasseraquarium erhöhen

Die Karbonathärte im Süßwasseraquarium erhöhen

Die Karbonathärte lässt sich im Süßwasseraquarium nicht nur senken, sondern auch erhöhen oder anheben. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten. Die einfachste Methode ist das Verschneiden mit härterem Wasser, das in der Regel auch besser carbonatgepuffert ist. Die Karbonathärte lässt sich auch durch Zugabe von handelüblichen Aufhärtesalzen (z. B. KH/PH Plus-Produkte) anheben. Außerdem wird die Karbonathärte durch Zugabe haushaltsüblicher Salze wie Speisenatron, Waschsoda oder Pottasche gezielt angehoben, welche auch in handelsüblichen pH/KH Plus-Produkten enthalten sind.

Natriumhydrogencarbonat oder Speisenatron

Um die Karbonathärte zu erhöhen eignet sich einfaches Speisenatron (Natriumhydrogencarbonat, doppeltkohlensaures Natron, Natriumbicarbonat, NaHCO3) sehr gut. Die Zugabe von 3 Gramm Speisenatron auf 100 Liter Wasser erhöht die „Karbonathärte“ dabei um 1°d. Es ist empfehlenswert, die benötigte Menge Speisenatron zuvor in Wasser aufzulösen und diese Lösung langsam ins Aquarium oder Wechselwasser zu geben.


Chemikalien zum Anheben der Karbonathärte aus dem Supermarkt - Vorschau


Chemikalien zum Anheben der Karbonathärte aus dem Supermarkt

Eine andere Art der Anwendung von Natron ist die gesättigte Lösung. Sie stellt man durch Zugabe von 100 Gramm (zwei Tütchen à 50g) NaHCO3 auf einen Liter Wasser her. Dazu wird erst das Natron in den Behälter (z. B. skalierter Messbecher) gegeben, in etwa einem halben Liter destilliertem Wasser vorgelöst und dann bis zum 1l-Strich mit destilliertem Wasser aufgefüllt. Es bleibt ein wenig Speisenatron als weißer Bodensatz zurück, welcher sich nicht löst.
100 ml dieser Lösung enthalten etwa 0,1143 Mol Natriumhydrogencarbonat oder 317,5°dKH. 1 ml der Lösung erhöht die „Karbonathärte“ in einem Liter Wasser also um gut 3 °d. Mit 100 ml der Lösung erhöht man somit äquivalent die „Karbonathärte“ in 100 Liter Wasser um 3 ° dKH, mit 30 ml um 1° dKH

  • M NaHCO3 = 84 g/mol
  • Löslichkeit = 96 g/l @ 20°C
  • 96g NaHCO3 = 1,143 Mol = 1143 mmol
  • 0,36 mmol HCO3 = 1°dKH
  • 1143 / 0,36 = 3175° dKH
  • 3175 ° KH in 1000 ml ∝ 3,175 ° KH in 1 ml

Diese Lösung kann auch als kostengünstige Kalibrierlösung für die pH-Elektrode verwendet werden.

Natriumcarbonat oder Soda

Eine alternative Möglichkeit bietet die Verwendung von Natriumcarbonat Na2CO3. Dieses Salz der Kohlensäure ist beispielsweise als „Waschsoda“ im Supermarkt erhältlich. Hier kann man wiederum entweder die benötigte Menge in Wasser auflösen oder aber eine gesättigte Lösung verwenden. Auch hier empfielt es sich, die benötigte Menge in Wasser zu lösen und über einen längeren Zeitraum langsam dem Aquarienwasser zugzugeben oder aber auf das Wecheslwasser zu verteilen.220 Gramm Natriumcarbonat auf einen Liter vollentsalztes Wasser ergeben eine gesättigte (2,05 mol/l = 2050 mmol/l) Lösung. Dies entspricht fast 5700°dKH (2050 : 0,36 = 5694,4). Ein Milliliter der Lösung erhöht die Karbonathärte in einem Liter Wasser also um knapp 6°dKH. Um in 100 Litern Wasser die Karbonathärte um gut 10°dKH anzuheben, werden also 175 ml der gesättigten Lösung zugegeben. Das kann bedingt durch die gute Löslichkeit von Natriumcarbonat in einem kleineren, handlichen Volumen erfolgen. Mit einem Liter dieser Sodalösung kann man also gut einen Kubikmeter Wasser um 5,7°kH „aufhärten“. Ein 500g Paket Waschsoda kostet im Supermarkt um € 1,50.

Xn - Reizend
Schutzbrille ist anzuraten.
Soda ist besonders gut für Aquarien geeignet, in denen ein alkalischer pH-Wert oherhalb pH 8 erwünscht ist, beispielsweise bei einem Aquarium mit Tanganjikasee-Cichliden.
In beiden Fällen kann es, abhängig von der Höhe der Gesamthärte, zu einer geringfügigen Absenkung der Gesamthärte durch Ausfällung von Härtebildnern, insbesondere Calcium, in Form schwer löslicher Carbonate kommen:

  • Ca2+ + 2 HCO3 CaCO3 + H2O + CO2

Im Aquarium erfolgt jedoch wieder eine allmähliche Rücklösung.

Kaliumcarbonat oder Pottasche

Eine weitere Möglichkeit zur Anhebung der Pufferkapazität im Aquarium bietet Kaliumcarbonat, K2CO3. Dieses Kaliumsalz der Kohlensäure wird besonders zur Adventszeit auch in vielen Supermärkten als traditionelles Treibmittel für Lebkuchen angeboten. Zusätzlich zum Anheben der Karbonathärte eignet sich Kaliumcarbonat als Kaliumdünger für die Aquarienpflanzen.

  • M K2CO3 = 138,2 g/mol
  • Löslichkeit = 1120 g/l @ 20°C
  • 112g (in 100ml) K2CO3 = 0,81 mol = 810 mmol
  • 0,36 mmol HCO3 = 1°dKH
  • 810 / 0,36 = 2250° dKH in 100 ml

Xn - Reizend
Wegen ihres hohen pH-Wertes ist auch diese Lösung reizend – beim Umgang ist Vorsicht geboten.
Es ist anzuraten, eine Schutzbrille zu tragen.
Pottasche oder Kaliumcarbonat wird im Supermarkt (Gewürzregal oder Backwaren) in Tütchen zu 50g angeboten. Man erhält die Chemikalie aber auch in der Apotheke. Mit den Tütchen lässt sich sehr gut eine gesättigte Lösung ansetzen. Als Gefäß nehmen wir einen skalierten Behälter, die Genauigkeit eines Küchenmessbechers reicht völlig aus für unsere Zwecke. Etwa 80 ml destilliertes Wasser darin vorlegen, zwei Tütchen Pottasche lösen. Ein gehäufter Teelöffel zusätzlich ergibt nach umrühren mit einem Löffel sicher eine gesättigte Kaliumcarbonat-Lösung. Dann auf 100 ml mit destilliertem Wasser auffüllen und nochmals umrühren. Eventueller Bodensatz kann verbleiben oder auch mit einem Kaffeefilter abfiltriert werden. Die Lösung kann jetzt in eine Vorratsflasche gefüllt werden.
Mit einem Milliliter dieser Lösung kann die KH in einem Liter Wasser um etwas mehr als 3 °dKH anheben. 100 Milliliter genügen also, um die KH in 100 Litern Wasser um gut 3 °dKH anheben.

Die Karbonathärte im Süßwasseraquarium senken

Die Karbonathärte lässt sich im Süßwasseraquarium nicht nur erhöhen, sondern auch senken, reduzieren oder vermindern. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten. Neben den allgemeinen Verfahren zur Wasserentsalzung wie Torffilterung Umkehrosmose oder Ionentausch und dem Verschneiden mit entsalztem („destilliertem“) Wasser eignen sich dazu das Entcarbonisieren mit Mineralsäuren.

Entcarbonisieren mit Mineralsäuren

Wie jede Form der Wasseraufbereitung muss auch das Entcarbonisieren mit Mineralsäuren regelmäßig außerhalb des Aquariums erfolgen. Abhängig von der Stoffmenge des umgesetzten Hydrogencarbonats ensteht CO2, das zuvor ausgasen muss. Der Vorgang wird durch Belüften mittels Membranpumpe und Sprudelstein beschleunigt.
Neben dem Verschneiden mit vollentsalztem („destilliertem“) Wasser, Osmosewasser oder Regenwasser von guter Qualität zum Senken des Gesamtsalzgehalts besteht auch die Möglichkeit, die Karbonathärte direkt zu senken. Dazu verwendet man Mineralsäuren, aus Sicherheitsgründen meist in verdünnter Form. Dies sind Salzsäure (HCl), Schwefelsäure (H2SO4), Phosphorsäure (H3PO4) und Salpetersäure (HNO3). Wird Säure eingesetzt um die Karbonathärte zu senken, läuft dabei das folgende Reaktionsschema ab:

  • H+ + HCO3 ⇒ CO2 + H2O

Salzsäure eignet sich durch das relativ unbedenliche Chlorid-Ion als anorganischen Säurerest am besten. Zudem ist sie als einprotonige Säure auch eins zu eins anwendbar. Es wird ein Mol HCl benötigt, um ein Mol Hydrogencarbonat umzusetzen. Phosphorsäure und Salpetersäure sind bedingt durch die Düngewirkung ihrer Anionen Phosphat beziehungsweise Nitrat ungeeignet für die Senkung der Karbonathärte im Aquarium.
Auch die im Handel erhältlichen Präparate zur pH-Wert und KH Senkung (pH/KH-Minus, Eichenextrakt) basieren auf Mineralsäuren. Schwefelsäure und Salzsäure sind ob ihrer im Aquarium unbeedenklichen Säurereste Chlorid beziehungsweise Sulphat bevorzugt einzusetzen. Produkte auf Basis von Phosphorsäure sind zu vermeiden, da diese zu einem Anstieg des Phosphatwertes führen und unerwünschter Algenwuchs eine mögliche Folge ist. Die Veränderung des Wassers muss bei umfangreicher Entcarbonisierung über mehrere ° dKH außerhalb des Aquariums stattfinden. Zum einen entsteht bei der Reaktion der Säure mit der Karbonathärte im Wasser CO2, pro Grad dKH etwa 16 mg/l CO2, zum anderen sind die einhergehenden plötzlichen Schwankungen in der Wasserchemie nicht förderlich für die Gesundheit der Bewohner.
Man gibt solange Säure zu und rührt um, bis die Karbonathärte auf das gewünschte Maß reduziert ist. Danach das behandelte Wasser abstehen lassen oder mittels Membranpumpe und Sprudelstein belüften, damit überschüssiges CO2 ausgetrieben wird.

Phosphorsäure

Phosphorsäure senkt sowohl Karbonathärte als auch Gesamthärte. Sie ist in einigen Produkten enthalten, die zur pH-Wert beziehungsweise Karbonathärtesenkung angeboten werden.
Die Protonen reagieren wie bei anderen Säuren mit dem Carbonat und Hydrogencarbonat der Karbonathärte. Der Phosphat-Rest fällt teilweise mit Calcium (beziehungsweise Magnesium) als kaum Wasserlösliches Calciumphosphat (Magnesiumphosphat)aus. 0,15 Gramm Phosphorsäure (H3PO4) pro Liter senken die Gesamthärte um etwa 1°d, die Leitfähigkeit erhöht sich dabei aber um 300µS/cm. Zudem wird auch die Phosphatkonzentration im Wasser angehoben, was intensives Algenwachstum nach sich ziehen kann. Für die aquaristische Praxis ist dieses Verfahren also ungeeignet.

organische Säuren

Einfache organische Säuren wie Essigsäure oder Zitronensäure, sind zum Entcarbonisieren ungeeignet. Sie sind immer noch recht energiereiche Verbindungen, welche von Bakterien leicht verstoffwechselt und somit abgebaut werden. Es kann daher zur Bakterien/Infusorienblüte im Aquarium kommen, welche sich durch eine milchig-weiße Trübung des Wassers bemerkbar macht. Damit geht zudem oft Sauerstoffmangel und eventuelle Störungen der Stickstoff-Oxidation (Ammoniak zu Nitrit, Nitrit zu Nitrat) und dadurch bedingter Anstieg der Ammoniak und/oder Nitritkonzentration im Aquarium.

Eichenlaub, Erlenzapfen und Co.

Makromolekulare organische Säuren wie Fulvosäuren, sind zwar einerseits schwer abbaubar, andererseits nur gerade stark genug, um die Kohlensäure aus ihren Salzen zu verdrängen. Für die praktisch sinnvolle Anwendung ist die Differenz (Fulvosäuren pks 4-5, Kohlensäure pks 6,4) daher zu gering. Huminstoffe wie Huminsäuren, Fulvosäuren oder aber Tannine (Gerbsäuren) enhaltende Pflanzenteile (Erlenzapfen, Rinde und Trockenlaub von Buchengewächsen, besonders Eichen) oder Lösungen aus diesen (Erlenzapfenextrakt, Eichenrindenextrakt) können aber zum Ansäuern schwach karbonatgepufferter Wässer (Wässer mit niedriger Karbonathärte) genutzt werden.

Belegstellen, weiterführende Literatur und externe Links

Die Karbonathärte im Süßwasseraquarium verstehen

Die Karbonathärte im Süßwasseraquarium verstehen

In der Aquaristik wird der Karbonathärte oft eine höhere Bedeutung zugeschrieben zu als der Gesamthärte. Das basiert auf ihrer Bedeutung als Puffersystem im Aquarium und dem daraus resultierenden Einfluss auf den pH-Wert.

Die Karbonathärte ist die Hydrogencarbonat-Konzentration

Mit dem Begriff Karbonathärte (KH) beschreibt man in der Aquaristik die Konzentration von Hydrogencarbonat-Ionen (H2CO3) im Wasser. Besser ist der Begriff des Säurebindevermögen bis pH 4,3 (SBV), da auch andere Ionen wie Carbonat (CO32-) und Hydrogenphosphat (HPO42-) oder Ammoniak (NH3) mit dem KH-Test erfasst werden, weil sie ebenfalls die mit der Testreagenz zugetropfte Säure binden. Diese Wasserinhaltsstoffe spielen für die Praixs aber eher eine untergeordnete Rolle und sollen nur der Vollständigkeit halber erwähnt werden.

Die Karbonathärte bestimmt den pH-Wert im Aquarium

Wie der Begriff Säurebindevermögen vermuten lässt, hat die Karbonathärte einen Einfluss auf den pH-Wert. Es handelt sich dabei um ein so genanntes Puffersystem. Der Hydrogencarbonat-Kohlensäure-Puffer bestimmt in Regelfall den im pH-Wert im Aquarium.
Will man den pH-Wert im Aquarium senken, muss die Karbonathärte also reduziert werden. Halbieren wir bei gleichbleibernder CO2-Konzentration die Karbonathärte, sinkt der pH-Wert um 0,3. Verdoppeln wir sie, so steigt der pH-Wert wiederum um 0,3. Fär pH-Werte unterhalb von 6 im Aquariumwasser muss man den Hydrogencarbonat-Kohlensäurepuffer und damit die Karbonathärte vollständig entfernen. Der Hydrogencarbonat-Kohlensäurepuffer muss dann gegen ein anderes Puffersystem ersetzt werden,
welches im sauren Bereich um pH 5 puffert. Das gelingt beispielsweise durch Zugabe von Huminstoffen mittels Torf, Laub, Moorkienholz oder Erlen;pfchen als Huminsäure-Humatpuffer.

Der Begriff Karbonathärte ist veraltet

Wie bereits im Artikel Die Wasserhärte im Süßwasseraquarium: verstehen, messen, verändern angemerkt, ist der Begriff der Karbonathärte veraltet.
Moderne Wasseranalysen geben das SBV in mmol/l (Millimol pro Liter) an. Zur Umrechnung in °dKH muss dieser Wert mit 2,8 multipliziert werden. 1 mmol/l SBV entspricht also 2,8° dKH oder 1° dKH entspricht 0,36 mmol/l SBV bis pH 4,3.

Die Karbonathärte wird nicht nur in °d angegeben

Neben der deutschen Härteskala in Grad deutscher Karbonathärte ( ° d KH) werden auch andere Skalen verwendet. In der Schweiz ist beispielsweise auch die französische Härteskala gebräuchlich. Die verschiedenen Einheiten werden mit den in der folgenden Tabelle aufgelisteten Faktoren ineinander umgerechnet:

  Säurebindungskapazität
mmol/l
Deutsche Grad
°d
Französische Grad
(TAC)
Hydrogencarbonat (mg/l)
HCO3
Säurebindungskapazität
mmol/l
1 2,78 4,94 61,00
Deutsche Grad
1 °d
0,36 1 1,78 21,8
Französische Grad
1 ° (TAC)
0,20 0,56 1 12,30
Hydrogencarbonat (mg/l)
HCO3
0,016 0,046 0,08 1

Belegstellen, weiterführende Literatur und externe Links

  1. Wiberg, E., Holleman, A. F. & Wiberg, N. (2007): Lehrbuch der anorganischen Chemie. 101. Auflage, de Gruyter, Berlin. ISBN 3-11-012641-9
    1. S. 859 – 863
  2. Krause, H.-J. (1990): Handbuch Aquarienwasser. 2. Auflage, bede-Verlag. ISBN 3927997005
    1. S. 29-33

weiterführende Literatur:

  • Kassebeer, G. (1986): Ein Analytikkurs fär Aquarianer von Dr. Gerd Kassebeer. III. Die Karbonathärte des Aquariumwassers. In: Aquarium Heute (AH) IV. (3). 33-35