:::Wasser:::

Allgemeines: Wasser ist lebensnotwendig für Menschen, Tiere und Pflanzen. Das Protoplasma der meisten lebenden Zellen enthält ca. 80% Wasser. Viele biochemische Reaktionen schließen Umsetzungen mit Wasser ein und laufen im Universallösungsmittel Wasser ab. Würde man alles auf der Erde vorhandene Wasser gleichmäßig über die Erde verteilen, so ergäbe sich eine mittlere Wassertiefe von 2,7km. Der natürliche Wasserkreislauf wird durch die Sonnenenergie eingeleitet und in Gang gehalten. Diese Energie sorgt dafür, dass ausreichende Mengen an Wasser vom Meer und vom Land durch Verdunstung in die Atmosphäre gelangen, dort verfrachtet werden, und dann als Niederschlag wieder zur Erde zurückkommen. Der größte Teil des Niederschlags verdunstet jedoch wieder direkt an der Oberfläche oder über die Pflanzen. Etwa 1/3 der Niederschläge fließt oberflächlich ab und gelangt über die Flüsse ins Meer, 15% gelangen ins Grundwasser.

Physikalische Eigenschaften

Chemische Eigenschaften

• feste Phase: Eis
• flüssige Phase: Wasser
• Gasphase: Dampf
• Siedetemperatur: 100°C [unter Normbedingungen => p=1013mbar]]
• Schmelzpunkt : 0°C
• max. Dichte: 4°C (vgl. Schichtungsverhältnisse in stehenden Gewässern)

• Strukturformel: H₂O [1 Sauerstoff- + 2 Wasserstoffatome]
• Bindungswinkel H-O-H: 104,5°
• Molekülradius: 0,14nm
• Molekulargewicht: 18 g/mol
• polares Molekül => Wasserstoffbrückenbindung
• Dipol

pH-Wert

Wichtige Begriffe:

• Ion = elektrisch geladenes Teilchen; kann positive oder negative Ladung tragen (z.B.: Al³⁺, Mg²⁺, Na⁺, Cl^-, SO₄^2-)

• Kation = Teilchen mit positiver Ladung (Al³⁺, Mg²⁺, Na⁺)

• Anion = Teilchen mit negativer Ladung (Cl^-, SO₄^2-)

• mol = ein mol eines Stoffes (Elements) sind 6,022 * 10²³ Teilchen (Avogadro- oder Loschmidt-Zahl)

• pH-Skala

I-------I-------I-------I-------I-------I-------I-------I-------I-------I-------I-------I-------I-------I-------I
0      1      2      3      4      5      6      7      8      9     10    11    12     13    14
          saurer pH = 1 bis 6          neutral = 7        basischer pH = 8 bis 14

Potentia Hydrogenii = elektrisches Potential der Hydroniumionen (=Wasserstoffionen).
Der pH-Wert ist ein Maß für den sauren oder basischen (alkalischen) Charakter einer Lösung. Er gibt an wie viele H⁺-Ionen sich im Wasser befinden.
Wassermoleküle zerfallen (=dissoziieren) teilweise in ihre elektrisch geladenen Bestandteile (=Ionen) H⁺ und OH^-. Ist die Anzahl der positiv geladenen Ionen (H⁺) gleich der Anzahl der negativ geladenen (OH^-), so heben sich die Ladungen insgesamt auf, es herrscht ein elektrisches Gleichgewicht => das Wasser ist neutral. Überwiegt aber in einer Lösung die Zahl der H⁺-Ionen gegenüber der Zahl der OH^--Ionen, dann handelt es sich um eine saure Lösung bzw. man spricht von einer Säure. Sind hingegen mehr OH^--Ionen vorhanden, so ist die Lösung basisch (=Lauge).
Der pH-Wert gibt also die wirksame Konzentration (=Aktivität; in mol/l oder g/l) von Wasserstoffionen (H⁺) in einer Lösung an. Er berechnet sich aus der Anwendung des Massenwirkungsgesetzes auf die Eigendissoziation des Wassers:

H₂O --------> H⁺ + OH^-
H⁺: Teilchen mit einer positiven Ladung (Ion) und saurer Wirkung
OH^-: Teilchen mit einer negativen Ladung (Ion) und basischer Wirkung

Der pH-Wert ist wissenschaftlich definiert als "der negative dekadische (=10er) Logarithmus der Konzentration (genauer der Aktivität) der Wasserstoffionen." Das Ionenprodukt aus dissoziierten H⁺- und OH^--Ionen im Wasser wurde mit 10^-14 (mol/l)² ermittelt. Im Gleichgewicht, d.h. bei einem neutralen Wasser, sind 10^-7 mol/l H⁺-Ionen und 10^-7 mol/l OH^--Ionen in der Lösung => berechnet man daraus den Logarithmus, ergibt sich folgendes: -lg 10^-7 (neg. dekadische Logarithmus von 10^-7) = 7. Man sagt die Lösung hat einen pH-Wert von 7 und muss nicht die "umständliche" Schreibweise von zuvor benutzen und sagen: In der Lösung befinden sich 10^-7mol oder g Wasserstoffionen. Eine Menge von 10^-7mol oder g sind in Zahlen ausgedrückt: 1 / 10 000 000 (ein Zehnmillionstel) mol oder g [Tip: 10^-7 = eine Zahl mit 7 Nullen]. So erhält man eine leicht überschaubare pH-Skala von 1 bis 14, und man kann daraus, schnell die Menge an aktiven H⁺-Ionen bestimmen. Anderes Beispiel: Ein pH-Wert von 5 ist somit 10^-5 also 1 / 100 000 mol oder g [5 Nullen].

Bedeutung für die Fischerei: Der pH-Wert ist einer der wichtigsten Parameter, um die Güte von Wässern zu beurteilen. Von ihm hängt mit ab, welche Menge Gas (Sauerstoff, Kohlendioxid,...) sich in dem Wasser lösen können, ob toxische Schwermetalle und andere Substanzen in Lösung gehen oder ausgefallen im Sediment verbleiben und schließlich auch wie sich unsere Fische Wohlfühlen. Ein idealer Bereich für unsere heimische, aquatische Tierwelt liegt im Bereich zwischen pH 7 und 8. Werte unter 6 und über 9 sind im allgemeinen tödlich. Werte außerhalb des Idealbereichs führen zu Haut- und Kiemenschäden. Beim Messen des pH-Wertes sollte man beachten, dass es zu jahres- und tageszeitliche Schwankungen kommen kann. Deshalb sollte dieser Parameter immer zu dem Zeitpunkt gemessen werden, wenn mit der größten Abweichung zu rechnen ist (z.B. morgens, kurz vor Sonnenaufgang).

Jahreszeitliche pH-Schwankungen treten z.B. bei der Schneeschmelze auf, wenn fast kalkfreies Wasser (=ungepuffert, da es auf der Oberfläche der Erde in Form von Schnee und Eis liegen bleibt und nicht in den Untergrund vordringt, in dem es sich mit Kalk anreichern kann) bei niedrigen Temperaturen sehr viel Kohlendioxid (CO₂) aus der Umgebung bindet und somit viel Kohlensäure entstehen kann => Wasser wird sauer.

Periodische pH-Schwankungen während eines Tages entstehen durch die "biogene Entkalkung" von Wasserpflanzen. Dieser Prozess wird durch die Photosyntheseaktivität grüner Pflanzen mit Hilfe des Sonnenlichts angetrieben. Für die Photosynthese wird CO₂ benötigt, welches die Pflanzen dem Wasser entziehen. Durch die CO₂ Abnahme im Wasser wird auch weniger Kohlensäure gebildet und der pH-Wert des Wassers nimmt somit zu (=> Kalk fällt aus). Nachts, wenn kein Sonnenlicht für die Photosynthese vorhanden ist, können die Pflanzen keinen Sauerstoff produzieren. Da sie zum Leben selbst auch Sauerstoff benötigen, den sie zu CO₂ "veratmen", wird also wieder Kohlendioxid produziert und ans Wasser abgegeben, so dass nun wieder mehr Kohlensäure im Wasser entstehen kann und der pH-Wert sinkt (Kalk geht in Lösung).
           

Kohlensäure
(H₂CO₃)

Unsere Atmosphäre (Luft) setzt sich aus folgenden Anteilen zusammen (Vol.%):

Kohlendioxid (CO₂) ist zu 0,034% vorhanden. Es entsteht z.B. durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, sowie durch den Stoffwechsel tierischer und pflanzlicher Zellen, die zur Gewinnung von Energie Zucker (Kohlenhydrate) "verbrennen" (Dissimilation=Abbau). Bei diesem Verbrennungsprozess werden energiereiche Kohlenhydrate (längere Kohlenstoffketten) bis zur energieärmsten Form,  CO₂, umgesetzt. Dieses wird anschließend an die Umgebung abgegeben. Grüne Pflanzen (pflanzliches Plankton, Algen) bauen durch den Prozess der Photosynthese (Assimilation=Aufbau) aus diesem CO₂ und Wasser wieder neue Zucker auf, von denen sie sich selbst und auch andere Tiere ernähren. Zusätzlich fällt bei diesem Prozess noch Sauerstoff an, der ebenfalls an die Umgebung abgegeben wird. Tierische Zellen benötigen diese Zucker und den Sauerstoff wieder zu Energiegewinnung und so schließt sich der Kreislauf.
Das CO₂ im Wasser stammt somit aus der Atmosphäre (Konzentrationsausgleich durch Diffusion), von den im Wasser lebenden Tieren und Pflanzen (Atmung zur Energiegewinnung) und aus den mikrobiellen Abbauprozessen (Destruenten, die totes pflanzliches und tierisches Material mineralisieren, d.h. in ihre Grundsubstanzen abbauen). Wasser reichert sich in der Atmosphäre und vor allem bei der Bodenpassage (beim Versickern im Boden) mit CO₂ an. Es kann solange CO₂ von der Umgebung aufgenommen, bis der CO₂ Partialdruck des Wassers mit dem des umgebenden Mediums gleich ist. Kohlendioxid löst sich im Wasser etwa 100-fach besser wie Sauerstoff. Dies liegt daran, dass Kohlendioxid im Gegensatz zu Sauerstoff teilweise Kohlensäure bildet und somit Platz geschaffen wird, um neues CO₂ zu binden.

Wie entsteht Kohlensäure:

Kohlendioxid + Wasser ----------> Kohlensäure
   CO₂        +    H₂O   ---------->     H₂CO₃

Es gibt drei verschiedene Formen von Kohlensäure, die abhängig vom pH-Wert des Wassers aus der instabilen Grundform H₂CO₃ entstehen.

                                                                 CO₂           (CO₂  bis pH < 6,33, ist die dominierende Form der Kohlensäure CO₂)
                                                                 HCO₃^-        (HCO₃^- = Hydrogenkarbonat; dominierende Form zwischen pH 6,33 und 10,33)
                                                                 CO₃^2-           ( CO₃^2- = Karbonat, dominierende Form ab pH > 10,33)

Bedeutung für die Fischerei: Die freie Kohlensäurekonzentration kann aus pH-Wert und SBV-Wert errechnet werden. Abhängig von der Fischart werden unterschiedlich hohe Kohlensäurekonzentrationen vertragen. Forellen die aufgrund zu hoher Kohlensäurewerte gestorben sind, haben ein weit aufgerissenes Maul, aber geschlossene Kiemendeckel. Zusätzlich sind die Kiemen verätzt, die Flossen ausgefasert und es zeigen sich Blutungen in den Kiemen und inneren Organen. Ist Sauerstoffmangel der Grund für das Sterben, ist das Maul weit aufgerissen und die Kiemendeckel sind weit abgespreizt.

Kalk
(CaCO₃)

Natürliche Wässer haben unterschiedliche Kalkgehalte, abhängig von der Region in der sie vorkommen. Die Konzentration an vorhandenem Kalk im Wasser hängt im wesentlichen von der geomorphologischen Beschaffenheit des Untergrunds ab, den es beim Versickern passiert. Wasser aus Gebieten mit Kalk-, Gips- und Dolomitböden haben in der Regel einen sehr hohen Kalkgehalt, wohingegen die aus Regionen mit Buntsandstein-, Basalt- oder Granitböden kalkarm sind. Wasser mit einem hohen Kalkgehalt wird häufig auch als "hart", kalkarmes als "weich" bezeichnet. Kalk ist für ein Wasser besonders wichtig, da es die Pufferungseigenschaften von Wässern gegenüber pH-Schwankungen deutlich verbessert und den Primärproduzenten (Pflanzen) CO₂ zum Aufbau wichtiger Nährstoffe für andere Tiere liefert. Je höher der Kalkgehalt eines Wassers, desto fruchtbarer ist es.

Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht

Kalk (CaCO₃ = Calciumcarbonat) ist ein weißer, kristalliner Stoff, der von kohlesäurehaltigem Wasser gelöst werden kann. Wie viel Kalk in dem Wasser in Lösung geht, hängt von der vorhandenen Menge an Kohlensäure ab. Chemisch sieht dies wie folgt aus:

CaCO₃ + H₂CO₃ ---------> Ca(HCO₃)₂ [Calciumhydrogencarbonat]

Nimmt die Menge der vorhandenen Kohlensäure ab, fällt ein Teil des gelösten Calciumhydrogencarbonat in Form von Kalk als Feststoff wieder aus und zwar genau so viel, bis sich das Gesamtsystem Kalk-Kohlensäure wieder in einem Gleichgewicht befindet.

Ca(HCO₃)₂ ----------> CaCO₃ + H₂CO₃

Diese zwei Stoffe stehen in direkter Beziehung zueinander - ändert man die Menge des einen, verändert sich somit automatisch auch die Menge des anderen.
Biogene Entkalkung: Manchmal sieht man auf den Blättern von Wasserpflanzen kleine Kalkablagerungen, die sich beim Anfassen sehr rau anfühlen. Dabei handelt es sich um ausgefallenes Calciumcarbonat, dass genau dort anfällt, wo die Blätter der Pflanzen dem Wasser die für die Photosynthese benötigte Kohlensäure in Form von CO₂ entziehen und somit das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht verändern (= biogene Entkalkung.)
Ist alle vorhandene Kohlensäure im Wasser aufgebraucht, spalten die Pflanzen Kalk (Calciumcarbonat) weiter zu Calciumhydroxid [Ca(OH)₂] und Kohlensäure (CO₂), damit sie an das nötige CO₂ für die Photosynthese gelangen.

CaCO₃ + H₂O --------> H₂CO₃ + Ca(OH)₂

Das Calciumhydrogencarbonat zerfällt in Wasser zu Ca²⁺- und OH^--Ionen. Diese entstehenden OH^--Ionen (die ja bekanntlich eine Base oder Lauge ausmachen) sind es, die den pH-Wert in Gewässern in die Höhe treiben können. Aus diesem Grund muss der pH-Wert zum Zeitpunkt der größten Sonneneinstrahlung überprüft werden, da dann die Pflanzen die höchste Photosyntheseaktivität zeigen, und somit am meisten OH^--Ionen durch die biogene Entkalkung produziert werden können.

Gesamthärte des Wassers
(CaCO₃, CaO, CaCl₂, CaSO₄, MgCO₃, MgO, MgCl₂, MgSO₄)

Temporäre Härte wird durch Calcium- und Magnesiumcarbonat verursacht. Diese "Härtebildner" liegen unter natürlichen Bedingungen (T < 30°C) gelöst vor, fallen aber beim Erhitzen aus. (Niederschlag im Topf = Kalkablagerungen). Die temporäre Härte kann durch Erhitzen beseitigt werden.
Permanente Härte wird durch Härtebildner wie Calcium- und Magnesiumchlorid, -oxid und -sulfat verursacht, die durch kochen nicht ausfallen.

Einteilung der Härtegrade: °d ("Grad deutscher Härte")

1°d

Bedeutung für die Fischerei: Zur Beurteilung fischereilich genutzter Gewässer ist eigentlich nur die temporäre Härte interessant. Sie lässt Aussagen über den Kalkgehalt des Gewässers zu. Je höher dieser ist, umso fruchtbarer ist das Gewässer, weil es gegenüber pH-Schwankungen gepuffert ist und den Primärproduzenten (Pflanzen, pfl. Plankton, Algen) genügend Substrat in Form von CO₂ liefert, so dass diese mittels der Photosynthese Nährstoffe für andere Tiere liefern können. Für die Fischerei hat sich zur Bestimmung des Kalkgehaltes von Gewässern das Säurebindungsvermögen als gebräuchlicher erwiesen.

Säure-Bindungs-Vermögen - SBV
(Salzsäurebindungsvermögen)

Kalk kann Säure binden und dient dem Wasser als Puffer. Ein Puffer hat die Fähigkeit den pH-Wert trotz Zugabe von einer starken Säure oder Base auf einem relativ konstanten Niveau zu halten, indem es die zugegebenen Protonen (H⁺ = Säure) oder die Hydroxidionen (OH^- = Base) abfängt. Dabei wird mit diesen durch eine chemische Reaktion ein neuer Stoff gebildet. Der SBV-Wert ist eine Größe der sich auf die temporäre Härte bezieht. Man kann sie ineinander umrechen: SBV * 2,8 = Carbonathärte [°d]
                                Carbonathärte [°d] / 2,8 = SBV
Je höher der SBV-Wert, desto höher ist der Kalkgehalt im Wasser und umso fruchtbarer ist das Gewässer, weil es stabil gegenüber zerstörerischen pH-Schwankungen ist. Ebenso ermöglichen hohe SBV-Werte CO₂ für grüne Pflanzen zu speichern, den diese zum Ablauf der Photosynthese als Primärproduzenten benötigen um genügend Nährstoffe für andere Lebewesen zu produzieren.
Einteilung:

Kalkmenge, die man Wasser zugeben kann, um pH-Wert zu stabilisieren:
18mg CaCO₃ / Liter Wasser = 1°d
18mg CaCO₃ * 2,8 = 50,4mg = 1 SBV