Chemie der Aquaristik. 1. Lebenswelt Aquarium- Einführung 2. Das Aquarienwasser...

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!