Einleitung - Willkommen im Fuchsbau
Ich bin kein Chemiker und besitze nicht das Fachwissen, um einen pH-Wert exakt berechnen zu können. Dennoch habe ich ein gewisses Verständnis dafür, was chemisch in einer Nährlösung passiert, wenn sich der pH-Wert verändert. Dieses Wissen möchte ich gerne mit Euch teilen.
Einige Erklärungen sind vereinfacht und decken nur bestimmte Aspekte der chemischen Vorgänge ab, um die Verständlichkeit zu erhöhen. Andererseits verstehe ich selbst noch nicht alles vollständig und könnte möglicherweise Fehler gemacht haben oder Lücken in meinem Wissen haben. In solchen Fällen bitte ich Euch, mich zu korrigieren!
Was versteht man eigentlich unter dem pH-Wert?
Der Begriff „pH“ stammt aus dem Lateinischen und steht für „pondus hydrogenii“, was übersetzt „Potenzial des Wasserstoffs“ bedeutet.
Der pH-Wert gibt an, ob eine Flüssigkeit neutral, sauer oder basisch ist. Die pH-Skala reicht von 0 bis 14. Ein Wert von 7 kennzeichnet eine neutrale Lösung, die weder sauer noch basisch ist.
Werte über 7 deuten darauf hin, dass eine Flüssigkeit basisch (oder alkalisch) ist.
Werte unter 7 weisen darauf hin, dass eine Flüssigkeit sauer ist.
Was versteht man unter Ionen?
Ein Ion ist ein Atom oder Molekül, das eine elektrische Ladung trägt. Diese Ladung kann entweder positiv (Kationen) oder negativ (Anionen) sein. Ionen entstehen, wenn ein Atom oder Molekül durch einen chemischen Prozess von einem anderen Ion getrennt wird, mit dem es ursprünglich verbunden war. Aufgrund ihrer Ladung suchen Ionen stets nach Verbindungen mit entgegengesetzt geladenen Ionen.
Zum Beispiel besteht Natriumchlorid (NaCl), allgemein bekannt als Kochsalz, aus zwei Atomen. Wenn es aufgespalten wird, entstehen die Ionen (Na)+ und (Cl)-.
Beide Ionen bestehen in diesem Beispiel aus jeweils einem einzelnen Atom. Wenn diese zu NaCl verbunden sind, herrscht ein Ladungsgleichgewicht zwischen dem (Na)+ Kation und dem (Cl)- Anion, was die Stabilität der Verbindung NaCl sicherstellt. In stabilen Verbindungen gleichen sich die Ladungen der Ionen immer gegenseitig aus.
Ein Ion muss jedoch nicht nur aus einem einzelnen Atom bestehen; es kann auch ein Molekül aus mehreren Atomen sein.
Ein weiteres Beispiel:
H3PO4 (Phosphorsäure) ist ein Molekül, das aus 8 Atomen besteht:
3x H
1x P
4x O
Bei der Aufspaltung von Phosphorsäure entstehen zwei entgegengesetzt geladene Ionen-Typen:
3x (H)+ und 1x (PO4)3-
Da aus einem H3PO4-Molekül insgesamt 3 positiv geladene (H)+ Ionen freigesetzt werden können, muss das (PO4)-Ion eine dreifach negative Ladung tragen. Daher (PO4)3-.
Die Reaktivität von Ionen
Aufgrund ihrer Ladung sind Ionen stark daran interessiert, sich möglichst schnell mit entgegengesetzt geladenen Ionen zu verbinden. Wenn verschiedene Stoffe in Wasser gelöst sind, haben die entstandenen Ionen die Möglichkeit, miteinander zu reagieren.
Die Rolle der Ionen im Zusammenhang mit dem pH-Wert
Der pH-Wert, das Potenzial des Wasserstoffs, hängt letztlich von den frei in der Nährlösung vorhandenen (H)+ und (OH)- Ionen ab. Die (OH)- Ionen fungieren als natürliches Gegengewicht zu den (H)+ Ionen. Wenn in der Lösung gleich viele (H)+ Ionen wie (OH)- Ionen vorhanden sind, ist sie neutral und weder sauer noch basisch. Die Anionen und Kationen befinden sich im Gleichgewicht.
Die (H)+ und (OH)- Ionen sind ständig in Bewegung, sehr reaktionsfreudig und wechseln gerne ihre Bindungspartner. Wenn sie aufeinandertreffen, reagieren sie zu Wasser (H2O). Das ergibt Sinn, da ein Molekül, das jeweils ein (H)+ und ein (OH)- Ion enthält, genau Wasser (H2O) bildet, das einen pH-Wert von 7 hat.
Wie wir am Beispiel der Phosphorsäure gesehen haben, werden bei der Zerlegung Ionen abgespalten, in diesem Fall 3 positiv geladene Wasserstoffatome. Ähnlich verläuft es bei allen Säuren: Sie geben je nach Bindungsstärke unterschiedlich viele (H)+ Ionen an ihre Umgebung ab. Manche Säuren geben alle ihre (H)+ auf einmal ab, andere schrittweise, was zu Zwischenprodukten führt, bevor alle (H)+ freigesetzt sind. Dies geschieht in verschiedenen Stadien je nach pH-Wert.
Basen wie Kalilauge (KOH) bringen immer negativ geladene (OH)- Ionen in die Nährlösung ein. Kalilauge spaltet sich daher in ihr Kation (K)+ und Anion (OH)- auf.
Also gilt folgendes Prinzip:
Wenn eine Säure in die Lösung gegeben wird, zerfällt sie im Wasser in ihre Ionen und bringt mehr H+ Ionen in die Nährlösung ein. Wenn eine Base hinzugefügt wird, zerfällt diese ebenfalls in ihre Ionen, jedoch wird die Nährlösung dabei mit (OH)- Ionen angereichert.
Sauer: H+
Basisch: OH-
Die (OH)- Ionen neigen dazu, sich mit den (H)+ Ionen zu verbinden und Wasser zu bilden. Wenn alle H+ Ionen verbraucht sind und noch (OH)- Ionen übrig sind, ist die Flüssigkeit basisch. Sind hingegen alle (OH)- Ionen aufgebraucht und es bleiben H+ Ionen übrig, ist die Flüssigkeit sauer.
Wenn in der Lösung mehr (H)+ als (OH)- Ionen vorhanden sind, ist der pH-Wert unter 7, also sauer. Sind hingegen mehr (OH)- als (H)+ Ionen vorhanden, liegt der pH-Wert über 7, also basisch.
Was hat das für Auswirkungen auf die Nährlösung?
Um den gewünschten pH-Bereich unserer Nährlösung zwischen 5,5 und 6,5 zu erreichen, verwenden wir in der Regel Säuren.
Es ist wichtig zu beachten, dass Säuren nicht nur durch ihre H+ Ionen sauer machen, sondern auch durch ihr Anion, den negativ geladenen Teil, einen Nährstoff einbringen. Das bedeutet, dass alle Säuren die Verteilung der Nährstoffe in der Nährlösung verändern können.
Das Gleiche gilt für Basen: Neben ihrem OH- Ion bringen sie auch ein positiv geladenes Kation ein, das ebenfalls die Verteilung der Nährstoffe beeinflusst.
In Nährlösungen sind folgende Ionen besonders relevant:
Kationen:
(NH4)+ (Ammonium)
(Ca)2+ (Calcium)
(Mg)2+ (Magnesium)
(K)+ (Kalium)
(Na)+ (Natrium)
(Fe)2+ (Eisen)
Anionen:
(NO3)- (Nitrat)
(PO4)3- (Phosphat)
(SO4)2- (Sulfat)
(Cl)- (Chlorid)
(HCO3)- (Carbonat)
Die Anionen könnten Dir bekannt vorkommen, da sie genau diejenigen sind, die in unseren pH-Senkern, also den Säuren, enthalten sind:
Salpetersäure (HNO3) besteht aus (H)+ und (NO3)-
Phosphorsäure (H3PO4) besteht aus 3x (H)+ und (PO4)3-
Schwefelsäure (H2SO4) besteht aus 2x (H)+ und (SO4)2-
Salzsäure (HCl) besteht aus (H)+ und (Cl)-
Bei den Kationen könnte einem in diesem Zusammenhang beispielsweise Kalilauge (KOH) einfallen:
Kalilauge (KOH) besteht aus (K)+ und (OH)-
Natronlauge (NaOH) besteht aus (Na)+ und (OH)-
Das Prinzip ist stets dasselbe:
- Säuren bringen (H)+ in die Lösung und lösen das entsprechende Anion der Säure (wie NO3, PO4, SO4 usw.) ab.
- Laugen bringen (OH)- in die Lösung und lösen das entsprechende Kation der Lauge (wie NH4, K, Ca usw.) ab.
Betrachten wir die üblichen pH-Werte in der Hydroponik, stellen wir fest, dass wir üblicherweise im sauren Bereich arbeiten. Wir orientieren uns dabei an einem pH-Bereich von 5,5 bis 6,5, also Werten unter 7. Dies bedeutet, dass unser Milieu sauer ist, was darauf hinweist, dass wir in unserer Nährlösung immer ein Übermaß an (H)+ Ionen haben.
Letztlich ergibt sich der pH-Wert aus dem Gesamtverhältnis von Anionen zu Kationen in der Lösung.
Wenn:
(Summe der Ladungen aller Nährstoff-Anionen) = (Summe der Ladungen aller Nährstoff-Kationen)
(Summe aller H+) = (Summe aller OH-)
→ Es gibt gleich viele (H)+ und (OH)- Ionen
→ Die Lösung ist pH-neutral bei pH 7.
Wenn jedoch:
(Summe der Ladungen aller Nährstoff-Anionen) < (Summe der Ladungen aller Nährstoff-Kationen)
(Summe aller H+) < (Summe aller OH-)
→ Es gibt mehr Kationen als Anionen
→ Es gibt mehr (OH)- als (H)+
→ Der pH-Wert ist über 7, also basisch.
Oder aber:
(Summe der Ladungen aller Nährstoff-Anionen) > (Summe der Ladungen aller Nährstoff-Kationen)
(Summe aller H+) > (Summe aller OH-)
→ Es gibt mehr Anionen als Kationen
→ Es gibt mehr (H+) als (OH)-
→ Der pH-Wert ist unter 7, also sauer.
Säuren und ihre Auswirkungen auf die Nährstoffe
Grundsätzlich versucht man, die Nährstoffe, die in den Säuren oder Basen enthalten sind, direkt in die Berechnung der Düngermischung einzubeziehen. Allerdings erfordert es etwas Erfahrung, um die gewünschten pH-Werte genau zu treffen.
Nachdem ich die Nährstoffwerte berechnet und eingestellt habe, die ich für meine Pflanzen als optimal erachte, mische ich die Nährlösung an. Wenn die Mischung gut ist, sollte sich die Nährlösung innerhalb weniger Tage nach Einbringung in das System und Kontakt mit den Pflanzen von selbst auf einen pH-Wert einpendeln, der idealerweise zwischen 5,5 und 6,5 liegt, speziell zwischen 5,7 und 6,2 in der Hydroponik.
Eine „gute Mischung“ bedeutet hierbei, dass ich die Quellen für die Pflanzennährstoffe so gewählt habe, dass sich am Ende genau der Überschuss an H+ Ionen ergibt, der den pH-Wert im gewünschten Bereich hält.
Falls die Nährlösung jedoch den angestrebten pH-Bereich verlässt, ist es erforderlich, korrigierend einzugreifen.
Was bedeutet Wasserhärte?
Reines Wasser, das ausschließlich aus H2O besteht, wird als weich betrachtet. Sobald Salze im Wasser gelöst sind, erhöht sich seine Härte.
Man unterscheidet dabei zwischen Karbonathärte und Gesamthärte des Wassers. Die Karbonathärte bezieht sich ausschließlich auf die Härte, die durch (HCO3)- Ionen (Carbonat-Ionen) entsteht, während die Gesamthärte alle Erdalkali-Ionen umfasst, die zur Härte beitragen.
Die Karbonathärte wird oft als vorübergehende Härte bezeichnet, da sie sich kontinuierlich verändern kann. Sie hängt von der Menge der gelösten Carbonate im Wasser ab, sowie vom pH-Wert und dem CO2-Gehalt der Lösung.
Die Karbonathärte ist direkt mit dem pH-Wert verbunden. Je höher die Karbonathärte, desto mehr Basen sind im Wasser vorhanden und daher ist der pH-Wert höher.
Im Wesentlichen bezieht sich die Karbonathärte auf den Anteil von Calcium und Magnesium in der Lösung, da diese „Härtebildner“ mit CO2 in der Lösung zu Carbonaten reagieren, selbst wenn sie durch Nitrate eingeführt wurden. Strontium und Barium können ebenfalls zu Carbonaten reagieren, aber in so geringen Konzentrationen, dass sie für unsere Zwecke vernachlässigt werden können.
Die individuelle Karbonathärte eines Wassers kann mit einem Testkit aus dem Bereich der Aquaristik bestimmt werden.
Der Härtegrad der Nährlösung sollte auf 5 reduziert werden. Dies wird durch einen geeigneten Anteil von NH4-N in der Nährlösung erreicht.
Für jede zu beseitigende Härtestufe sind 5 mg/L N aus NH4 erforderlich.
Ich hoffe, dass diese Informationen dazu beigetragen haben, das Verständnis für den pH-Wert einer Nährlösung zu verbessern. Es gibt viele weitere Faktoren, die eine Rolle spielen, und sicherlich waren einige meiner Erklärungen nicht ganz präzise. Dennoch könnt ihr auf dieser Grundlage möglicherweise euer Verständnis des pH-Werts weiter vertiefen und so manche Situation in Zukunft anders einschätzen 
Viele Grüße,
Gernot Reinhardsen