Chemie der Aquaristik.

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1 Chemie der Aquaristik

2 Chemie der Aquaristik 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 Süßwasser Meerwasser Kaltwasser Warmwasser

4 Wie ist ein Aquarium aufgebaut?
1. Lebenswelt Aquarium Wie ist ein Aquarium aufgebaut? Filter Glasbecken Thermometer Heizstab Bodengrund Pflanzen Wasser 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 Wasserqualität prägende Faktoren in Gleichgewicht
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 pH-Wert im tropischen Aquarium:
2.1 Das Aquarienwasser 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)+)

8 Versuch 1 Zusammenhang pH-Wert  CO2-Gehalt
2.1 Das Aquarienwasser- Der pH-Wert Versuch 1 Zusammenhang pH-Wert  CO2-Gehalt

9 2.1 Das Aquarienwasser- Der pH-Wert
Versuch 1: Zusammenhang pH-Wert  CO2-Gehalt Farbe pH-Wert Trübung Substanz Violett Über 9 Klar Ca(OH)2(aq) Trüb CaCO3(s) Blau ca. 7,5-9 ? Grün ca. 7 Ca(HCO3) 2(aq) Gelb Unter 7 klar

10 Der pH-Wert im Aquarium
2.1 Das Aquarienwasser 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

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 Entspricht Konzentration an Erdalkaliionen Wasserherkunft entscheidend
2.2 Das Aquarienwasser Die Wasserhärte 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 Mittelhart 3 14-21 2,5-3,8 Hart 4 >21 >3,8 Sehr hart

13 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

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 Sauerstoff wichtig für: Atmung der Fische aeroben Schadstoffabbau
2.3. Das Aquarienwasser Gelöster Sauerstoff Sauerstoff wichtig für: Atmung der Fische aeroben Schadstoffabbau Vorliegen Eisen(II)- /Eisen(III)-Ionen Wie kann Sauerstoff in Aquarium gelangen? Oberfläche Fotosynthese (Wasserpflanzen) Sauerstoffmembranpumpe

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 O2(aq) in mg/L (p=1bar) 10 11,2 25 8,35 +15°C -25%

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

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

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

22 Versuch 2: Bestimmung des Sauerstoffgehalts nach Winkler
2.3. Das Aquarienwasser- Gelöster Sauerstoff Versuch 2: Bestimmung des Sauerstoffgehalts nach Winkler Berechnung absolute Sauerstoffkonzentration: Faktor 0,08: 1mL 0,01M Na2S2O3-Lsg. ~ 8mg O2 V(Zusätze) = 2 mL

23 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

24 Mikrobieller Stickstoffkreislauf
2.4. Das Aquarienwasser Mikrobieller Stickstoffkreislauf

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

26 2.4.1. Das Aquarienwasser- Ammonifizierung
Versuch 3 Warum ist Ammoniak gefährlich für Fische?

27 Gleichgewichtslage abhängig vom pH-Wert: pKB(25°C)=4,75
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 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 2.4.2. Das Aquarienwasser- Nitrifikation
Wichtigster Vorgang zum Schadstoffabbau Im Filter, Boden (Bakterien auf Oberfläche) Oxidative Umwandlung

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

31 Reagenz 2: primäres, aromatisches Amin Pulver: Zinkstaub
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 2.4.2. Halbquantitativer Nachweis von Nitrat
Diazotierung: Diazonium-Ion

33 2.4.2. Halbquantitativer Nachweis von Nitrat
Azokupplung: Azofarbstoff elektrophile Substitution

34 Wie kommen Kupferionen in Aquarienwasser? Wasserwechsel
2.5. Das Aquarienwasser Kupfer(II)-Ionen Wie kommen Kupferionen in Aquarienwasser? Wasserwechsel Arbeiten an Leitungen Medikamente Cu2+-Ionen toxisch (für Bakterien und Fische) andere Schwermetalle ebenso möglich Entfernung von Schwermetallen: Wasseraufbereiter(EDTA)

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

36 Einlagerung von I3-, I5-,..-Ionen in Helix => Clathrate
2.7. Das Aquarienwasser- Kupfer(II)-Ionen Versuch 4: Selbstgebastelte Kupfer-Teststäbchen Einlagerung von I3-, I5-,..-Ionen in Helix => Clathrate Blaue Farbe: CT-Komplex (partieller Elektronen-Austausch, Organ. Ladungsdonator)

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

38 Nährstoffe der Wasserpflanzen
2.6. Das Aquarienwasser 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

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

40 Reaktion mit Sauerstoff zu schwerlöslichen Eisen(III)-Niederschlägen:
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 Spezielles Pflanzensubstrat (Nährstoffdepot) (anaerobe Schicht, sauerstoffarm) Aquarienkies oder Sand (5cm) (aerobe Schicht)

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

46 Ökologische Bildung und Umwelterziehung: Wasserverschmutzung
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 Umkehrbare Reaktionen und chemisches Gleichgewicht
4. Schulrelevanz Klasse 13: Umkehrbare Reaktionen und chemisches Gleichgewicht Massenwirkungsgesetz Prinzip vom Zwang Sauerstofflöslichkeit in Wasser Umweltchemie / Umweltanalytik

48 Vielen Dank!