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Chemie der Aquaristik. 1. Lebenswelt Aquarium- Einführung 2. Das Aquarienwasser Kohlenstoffdioxid-Carbonat-Kreislauf Sauerstoffgehalt Stickstoffkreislauf.

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Präsentation zum Thema: "Chemie der Aquaristik. 1. Lebenswelt Aquarium- Einführung 2. Das Aquarienwasser Kohlenstoffdioxid-Carbonat-Kreislauf Sauerstoffgehalt Stickstoffkreislauf."—  Präsentation transkript:

1 Chemie der Aquaristik

2 1. Lebenswelt Aquarium- Einführung 2. Das Aquarienwasser Kohlenstoffdioxid-Carbonat-Kreislauf Sauerstoffgehalt Stickstoffkreislauf Schwermetalle Pflanzen und ihre Nährstoffe 3. Bodengrund 4. Schulrelevanz

3 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 SüßwasserMeerwasser KaltwasserWarmwasser

4 1. Lebenswelt Aquarium Wie ist ein Aquarium aufgebaut? Filter Bodengrund Glasbecken Heizstab Thermometer Wasser Pflanzen Steine, Wurzeln, Verstecke und natürlich Fische!

5 2. Das Aquarienwasser Fische: Enger Kontakt zu Wasser Atmen über Kiemen– Nehmen gelöste Stoffe auf Aquarium sollte möglichst natürlicher Lebensraum sein

6 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

7 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.: NH 3 /NH 4(aq) + ) 2.1 Das Aquarienwasser

8 Versuch 1 Zusammenhang pH-Wert  CO 2 -Gehalt 2.1 Das Aquarienwasser- Der pH-Wert

9 FarbepH-WertTrübungSubstanz ViolettÜber 9KlarCa(OH) 2(aq) ViolettÜber 9TrübCaCO 3(s) Blauca. 7,5-9?? Grünca. 7KlarCa(HCO 3 ) 2(aq) GelbUnter 7klarCa(HCO 3 ) 2(aq) Versuch 1: Zusammenhang pH-Wert  CO 2 -Gehalt

10 Der pH-Wert im Aquarium pH-Wert abhängig von Carbonathärte & CO 2 -Gehalt: Massenwirkungsgesetz: pH-Wert umso niedriger je höher CO 2 -Gehalt je niedriger Konzentration an Hydrogencarbonat-Ionen 2.1 Das Aquarienwasser

11 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)

12 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<1,3Weich ,3-2,5Mittelhart ,5-3,8Hart 4>21>3,8Sehr hart Die Wasserhärte

13 2.2. Das Aquarienwasser- Wasserhärte Carbonathärte: Zu Erdalkalimetallionen äquivalente Menge an Carbonat- oder Hydrogencarbonationen Zusammenhang zw. pH-Wert, Carbonathärte & gelöstem CO 2 Zugabe von CO 2 => senkt pH-Wert, erhöht Carbonathärte Zugabe von Säuren=> senkt pH-Wert & Carbonathärte

14 2.2 Das Aquarienwasser- Wasserhärte Demo 1 Torf als Ionenaustauscher

15 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

16 2.2 Das Aquarienwasser- Wasserhärte Demo 1: Torf als Ionenaustauscher Struktur einer Huminsäure Modell 1996

17 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

18 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 O 2(aq) in mg/L (p=1bar) 1011,2 258,35 +15°C-25%

19 Versuch 2 Bestimmung des Sauerstoffgehalts nach Winkler 2.3. Das Aquarienwasser- Gelöster Sauerstoff

20 Versuch 2: Bestimmung des Sauerstoffgehalts nach Winkler 1. Zugabe von Fällungsreagenz 2. Falls Sauerstoff in Probe: 2.3. Das Aquarienwasser- Gelöster Sauerstoff

21 Versuch 2: Bestimmung des Sauerstoffgehalts nach Winkler 3. Ansäuern => Freisetzen von Iod 4. Titration von freiem Iod mit Natriumthiosulfat Endpunkt: Stärkeindikator (blau => farblos) => Braunfärbung der Lösung 2.3. Das Aquarienwasser- Gelöster Sauerstoff =>Entfärbung

22 Versuch 2: Bestimmung des Sauerstoffgehalts nach Winkler Berechnung absolute Sauerstoffkonzentration: Faktor 0,08: 1mL 0,01M Na 2 S 2 O 3 -Lsg. ~ 8mg O 2 V(Zusätze) = 2 mL 2.3. Das Aquarienwasser- Gelöster Sauerstoff

23 Güteklasse des Wassers abhängig von Menge an gelöstem Sauerstoff: Güte- klasse Grad der organischen Belastung O 2 -Gehalt in mg/L Eignung als Fischgewässer Iunbelastet> 8 Laichgewässer für Edelfische IImäßig belastet6 - 8 ertragreiche Fischgewässer IIIkritisch belastet4 - 6Fischsterben möglich IVstark verschmutzt2 - 4 periodisches Fischsterben V übermäßig verschmutzt < 2 Fische nur örtlich, nicht auf Dauer

24 2.4. Das Aquarienwasser Mikrobieller Stickstoffkreislauf

25 Ammonifizierung Organische Stickstoffverbindungen von Bakterien und Pilzen mit Urease (Enzym) hydrolysiert Das Aquarienwasser

26 Das Aquarienwasser- Ammonifizierung Versuch 3 Warum ist Ammoniak gefährlich für Fische?

27 Das Aquarienwasser- Ammonifizierung Versuch 3: Warum ist Ammoniak gefährlich für Fische? Gleichgewichtslage abhängig vom pH-Wert: pK B(25°C) =4,75 Sehr giftig für Fische (0,05-3 mg tödlich) Ammonium erheblich geringer toxisch Wichtig: niedriger pH-Wert Reinigung

28 Das Aquarienwasser Nitrifikation Aerobe Umwandlung von Ammonium- über Nitrit- zu Nitrat-Ionen mit nitrifizierenden Bakterien 1. Nitritation: 2. Nitratation:

29 Das Aquarienwasser- Nitrifikation Nitrifikation: Wichtigster Vorgang zum Schadstoffabbau Im Filter, Boden (Bakterien auf Oberfläche) Oxidative Umwandlung

30 Das Aquarienwasser- Nitrifikation Versuch 3: Halbquantitativer Nachweis von Nitrat Warum Nitrat messen? Große Mengen für Fische tödlich Starke Förderung des Algenwachstums

31 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 Nitrosonium-Ion (Elektrophil)

32 Halbquantitativer Nachweis von Nitrat Diazotierung: Diazonium- Ion

33 Halbquantitativer Nachweis von Nitrat Azokupplung: Azofarbstoffelektrophile Substitution

34 2.5. Das Aquarienwasser Wie kommen Kupferionen in Aquarienwasser? –Wasserwechsel –Arbeiten an Leitungen –Medikamente Cu 2+ -Ionen toxisch (für Bakterien und Fische) andere Schwermetalle ebenso möglich Entfernung von Schwermetallen: –Wasserwechsel –Wasseraufbereiter(EDTA) Kupfer(II)-Ionen

35 Versuch 4 Selbstgebastelte Kupfer-Teststäbchen 2.7. Das Aquarienwasser- Kupfer(II)-Ionen

36 2.7. Das Aquarienwasser- Kupfer(II)-Ionen Versuch 4: Selbstgebastelte Kupfer-Teststäbchen Einlagerung von I 3 -, I 5 -,..-Ionen in Helix => Clathrate Blaue Farbe: CT-Komplex (partieller Elektronen-Austausch, Organ. Ladungsdonator)

37 2.6. Das Aquarienwasser Pflanzen: –produzieren Sauerstoff (Fotosynthese) –reduzieren Schadstoffkonzentration –bieten Versteckmöglichkeiten für Fische –sehen schön aus Wasserpflanzen

38 Nährstoffe der Wasserpflanzen Notwendiges Element Aufgenommen als…Kommt in das Aquarium durch… KohlenstoffKohlenstoffdioxidGasaustausch mit Luft, Atmung der Fische, CO 2 -Düngung StickstoffAmmonium-Ionen, Nitrat-Ionen Abbauprodukte, Atmung der Fische KaliumKalium-IonenWasserwechsel, Fischfutter, Düngung PhosphorPhosphat-IonenWasserwechsel, Fischfutter EisenEisen-(II)-IonenWasserwechsel, Fischfutter, Dünger 2.6. Das Aquarienwasser

39 Versuch 5 Eisen(II)-Ionen im Aquarienwasser 2.6. Das Aquarienwasser- Eisen(II)- und Eisen(III)-Ionen

40 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

41 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

42 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

43 2.5. Das Aquarienwasser- Eisen(II)- und Eisen(III)-Ionen

44 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)

45 3. Bodengrund Aquarienboden verwittert => gelöste Stoffe in Aquarium Bspl. Verwitterungsprozess: Kalkstein: Verwitterung => Wasseraufhärtung: Verwendung von Quarz-Kies

46 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

47 4. Schulrelevanz Klasse 13: Umkehrbare Reaktionen und chemisches Gleichgewicht Massenwirkungsgesetz Prinzip vom Zwang Sauerstofflöslichkeit in Wasser Umweltchemie / Umweltanalytik

48 Vielen Dank!


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