elektrische Leitfähigkeit und Gesamtsalzgehalt im Süßwasseraquarium

Die elektrische Leitfähigkeit, oft fälschlich als Leitwert bezeichnet, gibt Auskunft darüber, ob in einem Wasser eher viele oder wenige Salze (Ionen) gelöst sind. Die elektrische Leitfähigkeit gibt deshalb auch Hinweise auf den Gesamtsalzgehalt, die Menge aller im Wasser gelösten Salze.

Ionen sind Atome und Moleküle, die elektrische Ladungen tragen. Sie sind positiv oder negativ geladen. Positiv geladene Ionen werden Kationen genannt, negativ geladene Anionen. Da Ionen elektrische Ladungen transportieren können, leiten sie elektrischen Strom. Salze, Säuren und Hydroxide zerfallen in Ionen, wenn sie sich im Wasser lösen.
Reines Wasser leitet elektrischen Strom so gut wie nicht. Genauso wenig leitet Kochsalz in seiner festen Form Strom. Löst man jedoch Kochsalz oder andere Salze in Wasser, kann die Lösung elektrischen Strom leiten. Salze sind organische oder anorganische kristalline Feststoffe, die in einer wässrigen Lösung in Ionen zerfallen. Ionen sind Teilchen, die eine elektrische Ladung tragen.
Ionen sind deshalb in der Lage, Elektronen, also elektrische Ladungen, zu übertragen. Auch andere Verbindungen, die im Wasser als Ionen vorliegen, wie Säuren und Laugen (Hydroxide) leiten elektrischen Strom. Je mehr Ionen im Wasser gelöst sind, desto besser leitet es elektrischen Strom. Die elektrische Leitfähigkeit gibt also Auskunft darüber, ob sich eher viele oder eher wenige Ionen im Wasser gelöst befinden.

Die elektrische Leitfähigkeit wird elektrisch gemessen

Die elektrische Leitfähigkeit kann ausschließlich mit einem Leitfähigkeitsmessgerät oder Konduktometer(auch: Conduktometer) gemessen werden. Dabei wird zwischen zwei Elektroden mit einem Abstand von einem Zentimeter eine Wechselstromspannung aufgebaut. Die elektrische Leitfähigkeit wird dabei über den Spannungsabfall zwischen den Elektroden ermittelt.
Zur Messung wird lediglich die Elektrode ins Wasser eingetaucht und eine Taste gedrückt, damit Strom fließt. Das Ergebnis wird (heute meist digital) direkt angezeigt. Im Gegensatz zu Elektroden von pH-Metern sind die Elektroden von Konduktometern recht unempfindlich. Eine Lagerung in Aufbewahrungslösung ist nicht notwendig, die Elektrode wird also trocken – oft mit einer Schutzkappe – gelagert.
Die Stromversorgung erfolgt bei den in der Aquaristik gebräuchlichen Handmessgeräten mittels – je nach Modell unterschiedlichen – Batterien. Gebräuchlich sind verschiedene Formen von Knopfzellen, Mignon- und 9Volt-Block-Batterien.

Die elektrischen Leitfähigkeit ist ein Summenparameter mit begrenzter Aussagekraft

Da die elektrische Leitfähigkeit ein Summenparameter ist, kann man durch sie lediglich bestimmen, ob in einem unbekannten Elektrolytgemisch mehr oder weniger Ladungsträger (Ionen, Laugen, Säuren, Salze) gelöst sind. Nicht aber, welche Ionen darin gelöst vorliegen oder gar, in welcher Konzentration die einzelnen Ionenspezies vorliegen. Man kann also aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit allein qualitativ auf die relative Menge gelöster Ionen in einem unbekannten Elektrolytgemisch wie Aquarienwasser schließen.
Die elektrische Leitfähigkeit erlaubt daher nur eine Aussage darüber, ob sich eher viele oder wenige Ionen in einer wässrigen Lösung befinden. Eine darüber hinaus gehende Aussage über die Qualität des Wassers, allein auf der Kenntnis seiner elektrischer Leitfähigkeit, ist sachlich nicht begründbar. Das ist nur dann möglich, wenn zumindest ein gewisser Überblick über Art und Konzentration der gelösten Ionen besteht.

elektrische Leitfähigkeit und Wasserhärte: relative elektrische Leitfähigkeit

Die relative elektrische Leitfähigkeit ist die elektrische Leitfähigkeit in µS/cm pro Grad deutsche Gesamthärte.
Schaut man sich die Analysewerte der Herkunftsgewässer verschiedenster Aquarienfische oder Trinkwasseranalysen an, so fällt auf, dass sie sehr niedrige elektrische Leitfähigkeiten aufweisen. In diesem Wasser sind also nur sehr wenige Ionen oder Salze gelöst sind. Vergleicht man bei „härteren“ Gewässern die ermittelte Gesamthärte mit der elektrischen Leitfähigkeit, so kann man erkennen, dass es aber auch einige Gewässer gibt, die neben den Härtebildnern noch eine Menge anderer Salze gelöst haben müssen, um trotz geringer Wasserhärte die gemessene hohe Leitfähigkeit zu verursachen.
Die elektrische Leitfähigkeit ist also ein besserer Wert zur Bestimmung für den Gesamtsalzgehalt des Wassers, als die alleinige Messung der Wasserhärte. Zieht man alle drei Werte zusammen, sind zumindest grundlegende Schlussfolgerungen be;glich der Zusammensetzung des Ionenspektrums im Wasser möglich.

Beryllium
Calcium
Magnesium
Barium
Frankium
Strontium
Härtebildner stellen in vielen Süßwässern einen Großteil der Kationen. Härtebildner sind die Ionen der Erdalkalimetalle. Im Süßwasser hat hier vor allem das Calcium, mit gewissem Abstand auch noch das Magnesium praktische Bedeutung. Die Konzentration der im Wasser gelösten Erdalkalimetall-Ionen wird als Gesamthärte definiert und auch als solche gemessen.
Wenn elektrische Leitfähigkeit und Gesamthärte eines Wassers bekannt sind, ist es daher mäglich gewisse Einschätzungen über den Anteil weiterer Ionen an der Gesamt-Salzfracht des Wassers zu machen.
Wässer, die stark von Härtebildnern dominiert werden, weisen eine geringe relative elektrische Leitfähigkeit von etwa 30-35 µS×cm-1 pro 1° dGH auf. Bei Wässern, die stärker durch Alkalimetall-Salze dominiert werden, deren Kationen-Fracht also insbesondere aus Natrium und Kalium besteht, kann die relative elektrische Leitfähigkeit bis auf über 60 µS×cm-1 pro 1° dGH steigen.
Auch Wässer, die von Salzlagerstätten beeinflusst werden, also recht viel Natrium- und Chlorid-Ionen enthalten, weisen hohe relative elektrische Leitfähigkeiten auf. Wenn sich hohe Konzentrationen gelöster organischer Kohlenstoff verbindungen (DOC = dissolved organic carbon) in einem Wasser befinden, welches gleichsam extrem ionenram ist und einen deutlich sauren pH-Wert unter pH 6 aufweisen, wie dies in Schwarzwasser der Fall ist, wird die elektrische Leitfähigkeit insbesondere durch Wasserstoff-Ionen – somit durch den niedrigen pH-Wert – bestimmt.

Die elektrische Leitfähigkeit als Indikator für den Teilwasserwechsel

Von verschiedenen Autoren wird die elektrische Leitfähigkeit als Indikator für die Fülligkeit eines Teilwasserwechsels propagiert. Genauer die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit im Aquariumwasser gegenüber dem Frischwasser, also in der Regel dem örtlichen Trinkwasser.
Durch Stoffwechselprozesse im Aquarium kann die elektrische Leitfähigkeit sowohl steigen als auch sinken. Fische scheiden als Abfallprodukt des Eiweißstoffwechsels aus dem Futter Ammoniak aus, das durch die Nitrifikationsbakterien zu Nitrat oxidiert wird. Nitrat reichert sich in vielen Aquarien an. Proportional zum Anstieg der Nitrat-Konzentration steigt auch die elektrische Leitfähigkeit an. Der Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit relativ zum Frischwasser kann hier also ein Hinweis für den Zeitpunkt des Teilwasserwechsels sein.
In Pflanzenaquarien dagegen sinkt die elektrische Leitfähigkeit durch die Aufnahme von Nährsalzen (also Ionen wie Orthophosphat oder Nitrat) durch die Pflanzen aus dem Wasser oft ab. Hier kann die elektrische Leitfähigkeit also ein Hinweis für den Zeitpunkt der Düngergabe sein.

pH-Wert und elektrische Leitfähigkeit

In vielen Wässern spielt der pH-Wert keine nennenswerte Rolle für die elektrische Leitfähigkeit. In sehr mineralarmem und schwach gepuffertem Wasser mit niedrigem (sauren) pH-Wert unter 5 sind die H+-Ionen aber ein sehr bestimmeder Faktor der elektrischen Leitfähigkeit, da sie einen Gutteil der Ionenfracht solcher Wässer ausmachen. Hier besteht auch die Problemtik der exakten Bestimmung des pH-Wertes in nur schwach gepufferten Wässern.

elektrische Leitfähigkeit und Osmolarität

Die elektrische Leitfähigkeit erlaubt es unter bestimmten Vorraussetzungen auch die Osmolarität eines Wassers abzuschätzen. Damit kann also der resultierende osmotische Druck eines osmotischen Bezugssystems zwischen Fisch und diesem Wasser abzuschätzen. Das geht nur, wenn die osmotisch wirksamen Teilchen zumindest großteils auch Ionen sind, weil sich von den gelüsten und osmotisch wirksamenTeilchen nur die Ionen auf die elektrische Leitfähigkeit niederschlagen. Allerdings sind auch elektrisch neutrale Teilchen, wie Zucker oder andere organische Moleküle, osmotisch wirksam.
Die elektrische Leitfähigkeit kann also nur in solchen Wässern als Anhaltspunkt für die Menge osmostisch wirksamer Inhaltsstoffe herangezogen werden, wo diese osmotisch wirksamen Inhaltsstoffe von Ionen dominiert werden.
In Wässern, in denen ein Großteil der osmostisch wirksamen Substanzen keine Ionen sind, wie dies mit den verschiedenen organsichen Substanzen in Schwarzwasser oder aber Mischwässern mit Schwarzwasser der Fall ist, ist die elektrische Leitfähigkeit dazu nicht brauchbar. Tatsächlich flachen diese Substanzen den osmotischen Gradienten zwischen Fisch und Wasser ab, obwohl die niedrige elektrische Leitfähigkeit anderes vermuten lässt.

physikalisch-chemische Hintergründe

Die elektrische Leitfähigkeit wird in der SI-Einheit Siemens (benannt nach Werner von Siemens) gemessen. Bei den in der Aquaristik üblichen Größenordnung ist die Einheit Microsimens oder Müsiemens üblich. Ein Microsiemens ist ein millionstel (10-6) Siemens. Symbol ist der griechische Buchstabe µ (kleines Mü).
Die Definiton nach ist die elektrischen Leitfähigkeit K (= Konduktivität) der Kehrwert des spezifischen elektrischen Widerstandes .
In stark verdünnten Elektrolyt-Lösungen verhält sich die elektrische Leitfähigkeit quasiproportional zur Konzentration der gelösten Ionen. Verdoppelt sich die Ionen-Konzentration, steigt auch die elektrische Leitfähigkeit auf den etwa doppelten Wert an. Süßwasser wie beispiellsweise Aquarienwasser ist eine solche stark verdünnte Elekrolytlösung.

Grenzleitfähigkeit und molare Leitfähigkeit

Auch die Art der gelösten Ionen (Ionenspezies) beeinflusst die elektrische Leitfähigkeit, da unterschiedliche Ionenspezies unterschiedliche Grenzleitfähigkeiten aufweisen. Als Faustregel kann hier gelten, dass sich die Leitfähigkeit antiproportional zur Ladung beziehungsweise Wertigkeit verhält der Ionenspezies verhält. Einwertige Ionen haben also eine höhere elektrische Leitfähigkeit als mehrwertige Ionen.
Neben der Menge (Konzentration) und Art der gelösten Ionen ist auch die Wassertemperatur bestimmend für die elektrische Leitfähigkeit. Je höher die Temperatur, desto höher die elektrische Leitfähigkeit. Aus diesem Grund wird bei Messwerten der elektrische Leitfähigkeit auch immer die Temperatur mitangegeben (µS/cm bei °C).
Einen Anteil daran hat neben der schnelleren Teilchenbewegung auch die Eigenschaft von Salzen, Basen und Säuren, bei steigender Temperatur vermehrt zu dissoziieren. Das bedeutet, daß je höher die Temperatur ist, desto mehr undissoziierte Teilchen AB zerfallen in Ionen A+ + B. Der Anteil dissoziierter Teilchen im Verhältnis zur Gesamtzahl der Teilchen wird als Dissoziationsgrad bezeichnet.

  • AnBm n Am+ + m Bn-
  • n × m+ + m × n = 0 (Summe negativer und postiver Ladungen ist gleich Null)
  • Prinzip der Ionen-Dissoziation

Die elektrische Leitfähigkeit wird also von folgenden Faktoren bestimmt:

  • Menge/Konzentration der gelösten Ionen
  • Art der gelösten Ionen (Ionenspezies)
  • Temperatur
  • Dissoziationskonstante der gelösten Teilchen

Die elektrische Leitfähigkeit lässt sich auch berechnen

Prinzipiell kann die elektrische Leitfähigkeit einer wässrigen Elektrolyt-Lösung berechnet werden, wenn deren Ionenfracht bekannt ist. Neben der Konzentration der einzelnen Ionen und ihrer Ladungist dafür auch die Kenntnis der exakten Temperatur in Kelvin notwendig.
Aus Ladung und Konzentration der jeweiligen Ionenspezies kann die Ionenstärke berechnet werden. Aus Ionenstärke ergibt sich zusammen mit der Temperatur die Ionenaktivität.
Mit deren Hilfe wiederum lässt sich die Grenzleitfähigkeit der einzelnen Ionen kalkulieren.
Für stark verdünnte Elektrolyt-Lösungen, wie sie Süßwasser darstellt, findet dabei die Debye-Hückel-Theorie Anwendung.

total dissolved solids – TDS-Wert

Ein mit der elektrische Leitfähigkeit verwandter Parameter ist der TDS-Wert.
Er umfasst aber nicht nur Ionen, sondern alle im Wasser gelösten und kolloidal suspendierten Substanzen. Also auch solche, die nicht als Ionen, sondern als neutrale Moleküle vorliegen.
Die Messung des TDS-Wertes mittels TDS-Meter erfolgt nicht direkt, sondern über den Umweg der elektrischen Leitfähigkeit. Die TDS-Konzentration wird vom gerät aus der elektrischen Leitfähigkeit errechnet. Der TDS-Wert wird in part per million (ppm) angegeben. 1 ppm bedeutet folglich, ein Milligramm Substanz pro Liter Wasser. Der Umrechnungsfaktor vom ppm TDS zu µS/cm elektrische Leitfähigkeit beträgt 0,66. Daraus folgt, dass der Umrechnungsfaktor von elektrischer Leitfähigkeit zu ppm TDS etwa 1,52 beträgt.
Eine etwas ungenauere Methode ist die Annäherung nach Grohmann gemäß der Formel µS/cm = 5,48 + 1,43 × TDS oder umgekehrt TDS = µS/cm / 1,43 – 5,48.

Fazit

Die elektrische Leitfähigkeit ist als Summenparameter geeignet, sich über Status quo und Veränderungen im Aquariumwasser einen Überblick zu verschaffen. Weiterhin ist die elektrische Leitfähigkeit ein wichtigtes und einfaches Hilfsmittel für die Wasseraufbereitung, beispielsweise mittels Vollentsalzer oder Umkehrosmose.
Ich hoffe, der Artikel ist einigermaßen verständlich. Wenn ihr Fragen oder Kritik loswerden wollt, schreibt mir einen Kommentar.

Belegstellen, weiterführende Literatur und externe Links

  1. Wiberg, N. (1995): Lehrbuch der anorganischen Chemie. 101. Aufl., deGruyter, Berlin, S.66-70. ISBN 978-3110126419
  2. Wielandt, G. & Frenzel, J. (1999): Steinmüller-Taschenbuch Wasserchemie. 12. Auflg., Vulkan-Verlag, Essen. ISBN 3-8027-2542-5.
  3. Adam, G., Läuger, P. & Stark, G. (2010): Physikalische Chemie und Biophysik. 5. Auflage, Springer Verlag, Heidelberg. ISBN 978-3642004230
  4. Schmickler, W. & Lingner, M. (1996): Grundlagen der Elektrochemie. ISBN 978-3540670452