Alkalinität

Die Alkalinität definiert das Säurebindungsvermögen von Böden, Gesteinen und natürlichem Wasser. Der Grad der Alkalinität hängt von der Menge der enthaltenen basisch wirkenden Ionen, hauptsächlich dem Gehalt an Carbonaten ab. Daher unterscheidet man auch zwischen Gesamtalkalinität und Carbonatalkalinität. Aus der Alkalinität ergibt sich die Fähigkeit eines Stoffgemisches oder einer Lösung, Oxonium- oder Wasserstoffionen zu binden. Die Alkalinität einer Lösung kann quantitativ durch Titration mit einer Säure in Gegenwart eines Indikators ermittelt werden.[1] Man nennt diese Größe deshalb auch Säurebindungsvermögen.

Pufferkapazität von Wasser

Carbonatalkalinität

Die Pufferkapazität von natürlichem Wasser wird vorwiegend durch den Gehalt an gelöstem Kohlenstoffdioxid, Hydrogencarbonaten und Carbonaten bestimmt.

Das Referenzsystem der Alkalinität ist das CO₂-System. Es bildet im Wasser die Komponenten CO₃²⁻ (Carbonat), HCO₃⁻ (Hydrogencarbonat oder Bicarbonat) und H₂CO₃ (Kohlensäure, vernachlässigbar gering). Damit lässt sich die Gesamtheit des in Wasser gelösten CO₂ C_T wie folgt darstellen:

C_T = [CO₂^*] + [HCO₃⁻] + [CO₃²⁻][2]

[CO₂^*] ist das gelöste CO₂.

Daraus ergibt sich folgende Definition der Carbonatalkalinität A_C:

A_C = [HCO₃⁻] + 2 · [CO₃²⁻] + [OH⁻] − [H₃O⁺]

Der Faktor 2 bei [CO₃²⁻] erklärt sich dadurch, dass je Mol CO₂ das Säurebindungsvermögen doppelt so groß ist. Im neutralen pH-Bereich ist die Carbonatalkalinität durch die Konzentration von HCO₃⁻ und CO₃²⁻ bestimmt, da [OH⁻] und [H₃O⁺] klein sind und umgekehrte Vorzeichen haben.

Die analytische Bestimmung erfolgt in der Regel durch Titration mit Salzsäure zum pH-Wert 4,3 oder bis zum Umschlag des Indikators Methylorange. Liegt der anfängliche pH-Wert einer Probe über 8,3, so kann zusätzlich als Zwischenstufe der Säureverbrauch bis zum pH 8,3 (Phenolphthalein als Indikator) notiert werden. Der Säureverbrauch bis pH 8,3 steht dann für die Umwandlung von Carbonat in Hydrogencarbonat. Der (weitere) Säureverbrauch bis pH 4,3 steht für die Umwandlung jeglichen Hydrogencarbonats in freies Kohlenstoffdioxid, auch des aus Carbonat in Hydrogencarbonat umgewandelten Hydrogencarbonats. Diese Größe wird im deutschen Sprachraum auch als „Säure-Bindungs-Vermögen“ („SBV“) bezeichnet und in der Regel in mval/l angegeben.

Alternativ zur Säuretitration kann auch das Gesamtcarbonatsystem durch Ionenchromatographie oder durch Kapillarelektrophorese bestimmt und rechnerisch anhand des pH-Wertes in die Komponenten des Kohlensäure-Systems aufgelöst werden.

Gesamtalkalinität

Im Meerwasser sind weitere Ionen für das Säurebindungsvermögen von Wichtigkeit. Daher wird mit der Gesamtalkalinität gerechnet. Welche Ionen dabei berücksichtigt werden, ist je nach Definition verschieden.[3] Dickson[4] definierte beispielsweise Basen von schwachen Säuren (pK > 4,5 bei 25 °C) als Teil der Gesamtalkalinität A_T:

A_T = [HCO₃⁻] + 2 · [CO₃²⁻] + [OH⁻] − [H₃O⁺] + [B(OH)₄⁻] + 2 · [PO₄³⁻] + [HPO₄²⁻] − [H₃PO₄] + [SiO(OH)₃⁻] + [NH₃] - …

Da die Konzentrationen von vielen Ionen vernachlässigt werden können, schlagen Zeebe und Wolf-Gladrow[5] vor, als Vereinfachung nur Tetrahydroxyborat zusätzlich zur Carbonatalkalinität zu berücksichtigen:

A_T ≈ [HCO₃⁻] + 2 · [CO₃²⁻] + [OH⁻] − [H₃O⁺] + [B(OH)₄⁻]

Dies hängt von der anderweitig bekannten Beschaffenheit des Messgutes ab. So kann z. B. das Wasser in Fischzucht-Kreislaufanlagen oder Abwasser in Kläranlagen hohe Gehalte an Ammoniak und Phosphaten aufweisen, so dass diese in diesem Fall keineswegs zu vernachlässigen wären.

Siehe auch

Literatur

Richard E. Zeebe, Dieter A. Wolf-Gladrow: CO₂ in Seawater: Equilibrium, Kinetics, Isotopes. Elsevier, 2001, ISBN 978-0-444-50579-8.
K. Grasshoff, Manfred Ehrhardt, Klaus Kremling: Methods of Seawater Analysis. 3. Auflage. Wiley-VCH, 2002, ISBN 978-3-527-29589-0.

Einzelnachweise

Wissenschaft-Online-Lexika: Eintrag zu Alkalinität im Lexikon der Geowissenschaften.
A. G. Dickson, C. Goyet: Handbook of Methods for the Analysis of the Various Parameters of the Carbon Dioxide System in Sea Water (Memento vom 3. März 2012 im Internet Archive), Kapitel 2, S. 3.
„Ich habe mindestens zwanzig verschiedene Definitionen von Alkalinität gefunden“, Zitat eines Kohlenstoffzyklus-Modellierers in: Richard E. Zeebe, Dieter A. Wolf-Gladrow: CO₂ in Seawater: Equilibrium, Kinetics, Isotopes. Elsevier, 2001, ISBN 978-0-444-50579-8.
A. G. Dickson: An exact definition of total alkalinity and a procedure for the estimation of alkalinity and total inorganic carbon from titration data. Deep-Sea Research 28A, 609–623, doi:10.1016/0198-0149(81)90121-7.
Richard E. Zeebe, Dieter A. Wolf-Gladrow: CO₂ in Seawater: Equilibrium, Kinetics, Isotopes. Elsevier, 2001, ISBN 978-0-444-50579-8.

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[1] Wissenschaft-Online-Lexika: Eintrag zu Alkalinität im Lexikon der Geowissenschaften.

[2] A. G. Dickson, C. Goyet: Handbook of Methods for the Analysis of the Various Parameters of the Carbon Dioxide System in Sea Water (Memento vom 3. März 2012 im Internet Archive), Kapitel 2, S. 3.

[3] „Ich habe mindestens zwanzig verschiedene Definitionen von Alkalinität gefunden“, Zitat eines Kohlenstoffzyklus-Modellierers in: Richard E. Zeebe, Dieter A. Wolf-Gladrow: CO₂ in Seawater: Equilibrium, Kinetics, Isotopes. Elsevier, 2001, ISBN 978-0-444-50579-8.

[4] A. G. Dickson: An exact definition of total alkalinity and a procedure for the estimation of alkalinity and total inorganic carbon from titration data. Deep-Sea Research 28A, 609–623, doi:10.1016/0198-0149(81)90121-7.

[5] Richard E. Zeebe, Dieter A. Wolf-Gladrow: CO₂ in Seawater: Equilibrium, Kinetics, Isotopes. Elsevier, 2001, ISBN 978-0-444-50579-8.