Post on 06-Apr-2016
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Chemie der
Aquaristik
Chemie der Aquaristik
1. Lebenswelt Aquarium- Einführung2. Das Aquarienwasser
• Kohlenstoffdioxid-Carbonat-Kreislauf• Sauerstoffgehalt• Stickstoffkreislauf• Schwermetalle• Pflanzen und ihre Nährstoffe
3. Bodengrund4. Schulrelevanz
1. Lebenswelt Aquarium
Was ist eigentlich ein Aquarium?
Aquarium: Wassergefülltes Becken, in der Regel mit Glaswänden, in dem Wasserpflanzen und Wassertiere, insbesondere Fische, gehalten werden. (encarta)
Aquarium
Süßwasser Meerwasser
Kaltwasser Warmwasser
1. Lebenswelt Aquarium
Wie ist ein Aquarium aufgebaut?
Filter
Bodengrund
Glasbecken
Heizstab
Thermometer
WasserPflanzen
Steine, Wurzeln, Verstecke
und natürlich Fische!
2. Das Aquarienwasser
• Fische: Enger Kontakt zu Wasser
• Atmen über Kiemen– Nehmen gelöste Stoffe auf
• Aquarium sollte möglichst natürlicher Lebensraum sein
2. Das Aquarienwasser
Natur Aquarium
• Wasserqualität prägende Faktoren in Gleichgewicht
• Tiere, Pflanzen, Bakterien halten Stoffkreisläufe im Gang
• Giftstoffabbau• Wasser lebt
• Wasser aus Leitung biologisch tot
• Abgeschlossenes System• Mensch: Nachahmung der
Gleichgewichte
Der pH-Wert
pH-Wert im tropischen Aquarium: • angelehnt an natürlichen Lebensraum der Fische • leicht sauer: pH 6-7
pH-Wert entscheidend für: • Löslichkeit von Stoffen• Lage von Gleichgewichten
(z.B.: NH3/NH4(aq)+)
2.1 Das Aquarienwasser
Versuch 1
Zusammenhang pH-Wert CO2-Gehalt
2.1 Das Aquarienwasser- Der pH-Wert
2.1 Das Aquarienwasser- Der pH-Wert
)(2)(3)(2)(2)( lsgaq OHCaCOCOOHCa
Farbe pH-Wert Trübung SubstanzViolett Über 9 Klar Ca(OH)2(aq)
Violett Über 9 Trüb CaCO3(s)
Blau ca. 7,5-9 ? ?Grün ca. 7 Klar Ca(HCO3) 2(aq)
Gelb Unter 7 klar Ca(HCO3) 2(aq)
)(23)(2)(2)(3 )( aqlgs HCOCaOHCOCaCO
)(2)(2)(2
)(3 2 lgaqaq OHCOHCO
Versuch 1: Zusammenhang pH-Wert CO2-Gehalt
Der pH-Wert im Aquarium
pH-Wert abhängig von Carbonathärte & CO2-Gehalt:
Massenwirkungsgesetz:
pH-Wert umso niedriger • je höher CO2-Gehalt • je niedriger Konzentration an Hydrogencarbonat-Ionen
)(3)(3)(2)(22 aqaqaql HCOOHCOOH
)()()()(
222
33
COcOHcHCOcOHc
K
)(lg 3 OHcpH
2.1 Das Aquarienwasser
2.1 Das Aquarienwasser- Der pH-Wert
Leitungswasser:• neutral bis schwach basisch • meist Senkung nötig
Senkung durch: • Kohlenstoffdioxid-Düngung• Torffilterung (Huminsäure)• Anorganische Säuren (Schwefelsäure, Salzsäure)
2.2 Das Aquarienwasser
Gesamthärte:
• Entspricht Konzentration an Erdalkaliionen • Wasserherkunft entscheidend• Gewässer im tropischen Regenwald: Sehr weich
Härtebereich Härtegrad in °dH
Härte in mmol/L Charakterisierung
1 <7 <1,3 Weich 2 7-14 1,3-2,5 Mittelhart3 14-21 2,5-3,8 Hart4 >21 >3,8 Sehr hart
Die Wasserhärte
2.2. Das Aquarienwasser- Wasserhärte
Carbonathärte:
• Zu Erdalkalimetallionen äquivalente Menge an Carbonat- oder Hydrogencarbonationen
• Zusammenhang zw. pH-Wert, Carbonathärte & gelöstem CO2
• Zugabe von CO2 => senkt pH-Wert, erhöht Carbonathärte• Zugabe von Säuren=> senkt pH-Wert & Carbonathärte
)(3)(3)(2)(22 aqaqaql HCOOHCOOH
2.2 Das Aquarienwasser- Wasserhärte
Demo 1Torf als Ionenaustauscher
2.2 Das Aquarienwasser- Wasserhärte
Demo 1: Torf als Ionenaustauscher
• Torf senkt Wasserhärte, pH-Wert, Schadstoffkonzentration• Huminsäure: Kationenaustauscher• Hier: Huminsäure aus Torf bzw. Schwarzerde
Struktur einer Huminsäure
Modell 1930
2.2 Das Aquarienwasser- Wasserhärte
Demo 1: Torf als Ionenaustauscher
Struktur einer Huminsäure
Modell 1996
2.3. Das Aquarienwasser
Sauerstoff wichtig für: • Atmung der Fische• aeroben Schadstoffabbau • Vorliegen Eisen(II)- /Eisen(III)-Ionen
Wie kann Sauerstoff in Aquarium gelangen?• Oberfläche• Fotosynthese (Wasserpflanzen)• Sauerstoffmembranpumpe
Gelöster Sauerstoff
2.3. Das Aquarienwasser- Gelöster Sauerstoff
Menge des gelösten Sauerstoffs abhängig von:• Größe der Oberfläche• Oberflächenbewegung• Anzahl und Größe der Pflanzen• Druck und Temperatur
Temperatur in °C
O2(aq) in mg/L (p=1bar)
10 11,2
25 8,35+15°C -25%
Versuch 2
Bestimmung des Sauerstoffgehalts nach Winkler
2.3. Das Aquarienwasser- Gelöster Sauerstoff
Versuch 2: Bestimmung des Sauerstoffgehalts nach Winkler
)(42)(2)()(4 )(2 aqagNiederschlweißeraqaqaq SOKOHMnKOHMnSO
1. Zugabe von Fällungsreagenz
agNiederschlbrauneraqaq
agNiederschlweißeraq OHOMnOOHMn )(2
4
)(2)(2
2)(2)(2
2. Falls Sauerstoff in Probe:
2.3. Das Aquarienwasser- Gelöster Sauerstoff
Versuch 2: Bestimmung des Sauerstoffgehalts nach Winkler
)(2
0
)(42)(4
2
)(
1
)(24
42)( aqaqaqaqaq ISOKSOMnIKSOMn
3. Ansäuern => Freisetzen von Iod
)(
1
)(64
5,2
2)(2
0
)(32
2
2 22 aqaqaqaq INaOSNaIOSNa
4. Titration von freiem Iod mit Natriumthiosulfat
Endpunkt: Stärkeindikator (blau => farblos)
=> Braunfärbung der Lösung
2.3. Das Aquarienwasser- Gelöster Sauerstoff
=>Entfärbung
Versuch 2: Bestimmung des Sauerstoffgehalts nach Winkler
Berechnung absolute Sauerstoffkonzentration:
Faktor 0,08: 1mL 0,01M Na2S2O3-Lsg. ~ 8mg O2
V(Zusätze) = 2 mL
2.3. Das Aquarienwasser- Gelöster Sauerstoff
Lmg
VVtOSNaV
OFl .Re.
3322
21008,0)(
)(
2.3. Das Aquarienwasser- Gelöster Sauerstoff
• Güteklasse des Wassers abhängig von Menge an gelöstem Sauerstoff:
Güte-klasse
Grad der organischen Belastung
O2-Gehalt in mg/L
Eignung als Fischgewässer
I unbelastet > 8 Laichgewässer für Edelfische
II mäßig belastet 6 - 8 ertragreiche Fischgewässer
III kritisch belastet 4 - 6 Fischsterben möglich
IV stark verschmutzt 2 - 4 periodisches Fischsterben
V übermäßig verschmutzt < 2 Fische nur örtlich, nicht
auf Dauer
2.4. Das Aquarienwasser
Mikrobieller Stickstoffkreislauf
Ammonifizierung
• Organische Stickstoffverbindungen von Bakterien und Pilzen mit Urease (Enzym) hydrolysiert
)(3)(3)(4)(2)(22 2)( aqaqaq
Ureaselaq HCONHNHOHNHCO
2.4.1. Das Aquarienwasser
2.4.1. Das Aquarienwasser- Ammonifizierung
Versuch 3Warum ist Ammoniak gefährlich für Fische?
2.4.1. Das Aquarienwasser- Ammonifizierung
Versuch 3: Warum ist Ammoniak gefährlich für Fische?
• Gleichgewichtslage abhängig vom pH-Wert: pKB(25°C)=4,75
• Sehr giftig für Fische (0,05-3 mg tödlich)
• Ammonium erheblich geringer toxisch
)20/500(2 23)()(4)(2)(3 CbeiOHLNHgOHNHOHNH aqaqlg
Wichtig:
• niedriger pH-Wert
• Reinigung
2.4.2. Das Aquarienwasser
Nitrifikation
• Aerobe Umwandlung von Ammonium- über Nitrit- zu Nitrat-Ionen mit nitrifizierenden Bakterien
1. Nitritation:
2. Nitratation:
)()(2)(2)(2)(4 42232 aqlaq
nNitritatio
gaq HOHNOONH
)(3)(2)(2 232 aq
nNitratatio
gaq NOONO
2.4.2. Das Aquarienwasser- Nitrifikation
Nitrifikation:
• Wichtigster Vorgang zum Schadstoffabbau• Im Filter, Boden (Bakterien auf Oberfläche)• Oxidative Umwandlung
2.4.2. Das Aquarienwasser- Nitrifikation
Versuch 3:Halbquantitativer Nachweis von Nitrat
Warum Nitrat messen?• Große Mengen für Fische tödlich• Starke Förderung des Algenwachstums
2.4.2. Das Aquarienwasser- Nitrifikation
Versuch 3: Halbquantitativer Nachweis von Nitrat
• Reagenz 1: Essigsäure• Reagenz 2: primäres, aromatisches Amin• Pulver: Zinkstaub• Reagenz 3: Kupplungskomponente: weiteres
aromatisches System
)(2
22)()(2
3
)()(3
50
)( 2 laqaqaqaqs OHZnONHONZn
Nitrosonium-Ion(Elektrophil)
2.4.2. Halbquantitativer Nachweis von Nitrat
Diazotierung:
Diazonium-Ion
2.4.2. Halbquantitativer Nachweis von Nitrat
Azokupplung:
Azofarbstoff elektrophile Substitution
2.5. Das Aquarienwasser
• Wie kommen Kupferionen in Aquarienwasser?– Wasserwechsel– Arbeiten an Leitungen– Medikamente
• Cu2+-Ionen toxisch (für Bakterien und Fische)• andere Schwermetalle ebenso möglich• Entfernung von Schwermetallen:
– Wasserwechsel – Wasseraufbereiter(EDTA)
Kupfer(II)-Ionen
Versuch 4 Selbstgebastelte Kupfer-Teststäbchen
2.7. Das Aquarienwasser- Kupfer(II)-Ionen
2.7. Das Aquarienwasser- Kupfer(II)-IonenVersuch 4: Selbstgebastelte Kupfer-Teststäbchen
)(
0
2
11
)(
2
)(
2242 aqaqaq IICuICu
)(3)()(2 aqaqaq III
Einlagerung von I3-, I5
-,..-Ionen in Helix => Clathrate
Blaue Farbe: CT-Komplex (partieller Elektronen-Austausch,Organ. Ladungsdonator)
2.6. Das Aquarienwasser
• Pflanzen:– produzieren Sauerstoff (Fotosynthese)– reduzieren Schadstoffkonzentration– bieten Versteckmöglichkeiten für Fische– sehen schön aus
Wasserpflanzen
Nährstoffe der Wasserpflanzen
Notwendiges Element
Aufgenommen als… Kommt in das Aquarium durch…
Kohlenstoff Kohlenstoffdioxid Gasaustausch mit Luft, Atmung der Fische, CO2-Düngung
Stickstoff Ammonium-Ionen, Nitrat-Ionen
Abbauprodukte, Atmung der Fische
Kalium Kalium-Ionen Wasserwechsel, Fischfutter, Düngung
Phosphor Phosphat-Ionen Wasserwechsel, Fischfutter
Eisen Eisen-(II)-Ionen Wasserwechsel, Fischfutter, Dünger
2.6. Das Aquarienwasser
Versuch 5
Eisen(II)-Ionen im Aquarienwasser
2.6. Das Aquarienwasser- Eisen(II)- und Eisen(III)-Ionen
2.5. Das Aquarienwasser- Eisen(II)- und Eisen(III)-Ionen
Versuch 5: Eisen(II)-Ionen im Aquarienwasser
• Reaktion mit Sauerstoff zu schwerlöslichen Eisen(III)-Niederschlägen:
• Oxidation pH-Wert abhängig: pH-Wert-Erhöhung => drastischen Erhöhung Reaktionsgeschwindigkeit
)(3
3
2)()(2
2
)(
2)(4284 saqgaq OHFeOHOHOFe
2.5. Das Aquarienwasser- Eisen(II)- und Eisen(III)-Ionen
• Pflanzen können nur Eisen(II)-Ionen aufnehmen
• Im Aquarium aerobes Milieu: Eisenionen: Eisen(III)-Niederschlag (Filter, Bodengrund)
• Förderlich für Aufnahme von Eisen(II)-Ionen durch Pflanzen: – niedriger pH-Wert – anaerobes Milieu
2.5. Das Aquarienwasser- Eisen(II)- und Eisen(III)-Ionen
• pH-Wert überall konstant
• Sauerstoffgehalt unterschiedlich:Untere Bodenschichten anaerobes Milieu: Reduktion: Eisen(III)- zu Eisen(II)-Ionen
• Wasserpflanzendünger: Eisen(II)-Ionen in Chelatkomplexen
2.5. Das Aquarienwasser- Eisen(II)- und Eisen(III)-Ionen
3. Bodengrund
• Funktion: – Halt und Nährstoffe für Pflanzenwurzel – Futter für Fische – Lebensraum: Schadstoffe abbauende Mikroorganismen
Aquarienkies oder Sand (5cm)
(aerobe Schicht)
Spezielles Pflanzensubstrat
(Nährstoffdepot)
(anaerobe Schicht, sauerstoffarm)
3. Bodengrund
• Aquarienboden verwittert => gelöste Stoffe in Aquarium
• Bspl. Verwitterungsprozess:
Kalkstein:
• Verwitterung => Wasseraufhärtung: Verwendung von Quarz-Kies
)()(3
2)()(2)(3 aqaqaqls OHHCOCaOHCaCO
OHnSiOOHnSiO ls 22)(2)(2
4. Schulrelevanz
Lehrplan für G 9:
Klasse 8:• Ökologische Bildung und Umwelterziehung:
Wasserverschmutzung• Aufbereitung von Abwässern,Trink- und Flusswasser• Wasseruntersuchung mit analytischen
Schnelltestverfahren
Klasse 10:• Stoffmengenkonzentrationen; Maßanalyse: Titration• Stoffkreisläufe
4. Schulrelevanz
Klasse 13:• Umkehrbare Reaktionen und chemisches Gleichgewicht• Massenwirkungsgesetz• Prinzip vom Zwang• Sauerstofflöslichkeit in Wasser• Umweltchemie / Umweltanalytik
Vielen Dank!