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Chemie der
Aquaristik
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Chemie der Aquaristik
1. Lebenswelt Aquarium- Einführung2. Das Aquarienwasser
• Kohlenstoffdioxid-Carbonat-Kreislauf• Sauerstoffgehalt• Stickstoffkreislauf• Schwermetalle• Pflanzen und ihre Nährstoffe
3. Bodengrund4. Schulrelevanz
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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
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1. Lebenswelt Aquarium
Wie ist ein Aquarium aufgebaut?
Filter
Bodengrund
Glasbecken
Heizstab
Thermometer
WasserPflanzen
Steine, Wurzeln, Verstecke
und natürlich Fische!
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2. Das Aquarienwasser
• Fische: Enger Kontakt zu Wasser
• Atmen über Kiemen– Nehmen gelöste Stoffe auf
• Aquarium sollte möglichst natürlicher Lebensraum sein
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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
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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
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Versuch 1
Zusammenhang pH-Wert CO2-Gehalt
2.1 Das Aquarienwasser- Der pH-Wert
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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
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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
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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)
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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
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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
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2.2 Das Aquarienwasser- Wasserhärte
Demo 1Torf als Ionenaustauscher
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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
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2.2 Das Aquarienwasser- Wasserhärte
Demo 1: Torf als Ionenaustauscher
Struktur einer Huminsäure
Modell 1996
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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
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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%
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Versuch 2
Bestimmung des Sauerstoffgehalts nach Winkler
2.3. Das Aquarienwasser- Gelöster Sauerstoff
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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
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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
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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)(
)(
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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
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2.4. Das Aquarienwasser
Mikrobieller Stickstoffkreislauf
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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
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2.4.1. Das Aquarienwasser- Ammonifizierung
Versuch 3Warum ist Ammoniak gefährlich für Fische?
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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
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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
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2.4.2. Das Aquarienwasser- Nitrifikation
Nitrifikation:
• Wichtigster Vorgang zum Schadstoffabbau• Im Filter, Boden (Bakterien auf Oberfläche)• Oxidative Umwandlung
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2.4.2. Das Aquarienwasser- Nitrifikation
Versuch 3:Halbquantitativer Nachweis von Nitrat
Warum Nitrat messen?• Große Mengen für Fische tödlich• Starke Förderung des Algenwachstums
![Page 31: Chemie der Aquaristik. 1. Lebenswelt Aquarium- Einführung 2. Das Aquarienwasser Kohlenstoffdioxid-Carbonat-Kreislauf Sauerstoffgehalt Stickstoffkreislauf](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062521/570491c51a28ab14218dae24/html5/thumbnails/31.jpg)
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)
![Page 32: Chemie der Aquaristik. 1. Lebenswelt Aquarium- Einführung 2. Das Aquarienwasser Kohlenstoffdioxid-Carbonat-Kreislauf Sauerstoffgehalt Stickstoffkreislauf](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062521/570491c51a28ab14218dae24/html5/thumbnails/32.jpg)
2.4.2. Halbquantitativer Nachweis von Nitrat
Diazotierung:
Diazonium-Ion
![Page 33: Chemie der Aquaristik. 1. Lebenswelt Aquarium- Einführung 2. Das Aquarienwasser Kohlenstoffdioxid-Carbonat-Kreislauf Sauerstoffgehalt Stickstoffkreislauf](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062521/570491c51a28ab14218dae24/html5/thumbnails/33.jpg)
2.4.2. Halbquantitativer Nachweis von Nitrat
Azokupplung:
Azofarbstoff elektrophile Substitution
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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
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Versuch 4 Selbstgebastelte Kupfer-Teststäbchen
2.7. Das Aquarienwasser- Kupfer(II)-Ionen
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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)
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2.6. Das Aquarienwasser
• Pflanzen:– produzieren Sauerstoff (Fotosynthese)– reduzieren Schadstoffkonzentration– bieten Versteckmöglichkeiten für Fische– sehen schön aus
Wasserpflanzen
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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
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Versuch 5
Eisen(II)-Ionen im Aquarienwasser
2.6. Das Aquarienwasser- Eisen(II)- und Eisen(III)-Ionen
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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
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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
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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
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2.5. Das Aquarienwasser- Eisen(II)- und Eisen(III)-Ionen
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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)
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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
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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
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4. Schulrelevanz
Klasse 13:• Umkehrbare Reaktionen und chemisches Gleichgewicht• Massenwirkungsgesetz• Prinzip vom Zwang• Sauerstofflöslichkeit in Wasser• Umweltchemie / Umweltanalytik
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