Chemie der Aquaristik

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. 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. 2. Das Aquarienwasser

7. 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. 2.1 Das Aquarienwasser- Der pH-Wert Versuch 1Zusammenhang pH-Wert  CO2-Gehalt

9. 2.1 Das Aquarienwasser- Der pH-Wert Versuch 1: Zusammenhang pH-Wert  CO2-Gehalt

10. 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. 2.2 Das Aquarienwasser Die Wasserhärte Gesamthärte: • Entspricht Konzentration an Erdalkaliionen • Wasserherkunft entscheidend • Gewässer im tropischen Regenwald: Sehr weich

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. 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 +15°C -25%

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

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

21. 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. 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:

24. 2.4. Das Aquarienwasser Mikrobieller Stickstoffkreislauf

25. 2.4.1. 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. 2.4.1. Das Aquarienwasser- AmmonifizierungVersuch 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. 2.4.2. 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 Nitrifikation: • Wichtigster Vorgang zum Schadstoffabbau • Im Filter, Boden (Bakterien auf Oberfläche) • Oxidative Umwandlung

30. 2.4.2. Das Aquarienwasser- NitrifikationVersuch 3:Halbquantitativer Nachweis von Nitrat Warum Nitrat messen? • Große Mengen für Fische tödlich • Starke Förderung des Algenwachstums

31. 2.4.2. Das Aquarienwasser- NitrifikationVersuch 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. 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: • Wasserwechsel • Wasseraufbereiter(EDTA)

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

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

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

38. 2.6. Das Aquarienwasser Nährstoffe der Wasserpflanzen

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

40. 2.5. Das Aquarienwasser- Eisen(II)- und Eisen(III)-IonenVersuch 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. 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!