Ansäuerung auf pH 3 durch Zugabe von HNO3 und H2SO4

Gegeben sei ein Grundwasser mit pH 6.9. Wie viel Salpetersäure (HNO3) bzw. wie viel Schwefelsäure (H2SO4) muss man zudosieren, um das Wasser auf pH 3.0 anzusäuern?

Zusatzfrage. H2SO4 besitzt zwei H+-Ionen. Man würde also erwarten, dass bei H2SO4 nur die Hälfte der HNO3-Zugabemenge erforderlich ist. Stimmt das so?

Vorgehensweise.  Für die Chemikalien-Dosierung auf einen Ziel-pH-Wert steht in aqion PRO eigens ein spezielles Tool zur Verfügung.1 Man kann diese Aufgabe aber auch ohne PRO-Version lösen, allerdings auf indirektem Weg über den Ladungsausgleich (vorausgesetzt, die Startlösung ist ladungsausgeglichen). Außerdem dürfen keine Festphasen ausfallen (was beim Ansäuern aber kaum der Fall ist).

Ansäuern mit HNO3 (einprotonige Säure)

Mit der Taste Open (links unten) öffnen wir das Beispielwasser “gw.sol”. Das Einzige, was wir tun müssen, ist, im oberen Editierfeld pH den Wert von 6.9 auf 3.0 zu ändern. Danach Start-Taste.

Daraufhin meldet das Programm einen großen Ionenbilanzfehler von 81.9 (da die von uns erzwungene pH-Änderung zu einem immensen H+-Überschuss führt). Zum Ladungsausgleich wählen wir den Parameter NO3 und klicken auf weiter.2

HNO3-Zugabe

Es öffnet sich ein Übersichtsschema, deren Ergebnisanzeige man mit der Taste Details so wie im Bild rechts erweitern kann. Die zum Ladungsausgleich benötigte Menge an NO3- entspricht hierbei der gesuchten Zugabemenge:3

  HNO3  =  6.95 mM

Man benötigt also fast 7 mM Salpetersäure, um das Grundwasser von pH 6.9 auf 3.0 anzusäuern.

Diskussion.  Das Ergebnis wäre absolut korrekt, wenn das Inputwasser exakt ladungsausgeglichen wäre. Dies ist allerdings nicht ganz der Fall; unser Inputwasser hat einen zwar sehr kleinen, aber doch endlichen Ionenbilanzfehler von 0.33 (konkret: 0.04 mM Kationen-Überschuss).

Damit ist in dem berechneten Wert von 6.95 mM auch ein sehr kleiner Anteil enthalten (nämlich 0.04 mM), der zur Ladungskorrektur des Inputwassers dient. Der exakte Wert für die Zugabemenge wäre somit “nur” 6.91 mM.

Deshalb: Man sollte alle Berechnungen immer mit ladungsausgeglichenen Wässern durchführen. Doch Vorsicht: Was ist der richtige Parameter zum Ladungsausgleich (der pH oder ein Kation oder ein Anion)? Je nachdem, welchen Parameter man wählt, erhält man (etwas) andere Ergebnisse. Man kann es mit dem Programm gern durchspielen (womit man ein Gefühl für die Unsicherheiten der gemessenen Parameter bekommt).

Ansäuern mit H2SO4 (zweiprotonige Säure)

Wiederholt man die Ansäuerung mit H2SO4 (man wähle dabei den Parameter SO4 zum Ladungsausgleich), dann folgt eine Zugabemenge von

H2SO4-Zugabe

  H2SO4  =  3.55 mM

Erwarten würde man zunächst die Hälfte der HNO3-Zugabemenge, also 3.47 mM H2SO4. Es wird aber etwas mehr an Schwefelsäure benötigt. Dies liegt daran, dass H2SO4 zwar zwei H+-Ionen besitzt, aber von den beiden Dissoziationsstufen entspricht nur die erste der einer starken Säure, die vollständig dissoziert. Es verbleibt noch ein kleiner Rest an undissozierter Säure als Hydrogensulfat HSO4- in der Lösung (plus anderer ungeladener Sulfat-Komplexe wie CaSO4 und MgSO4).

Weiterführende Information

  • zum Unterschied zwischen starken und schwachen Säuren – siehe hier
  • analytische Formeln zur Berechnung N-protoniger Säuren – siehe hier

Anmerkungen

  1. in oberer Menüleiste unter “Extras” 

  2. Nicht irritieren lassen: Im Listenfeld sind die elektrischen Ladungen der Anionen und Kationen weggelassen. NO3 steht für das Anion NO3-

  3. Dies gilt, da HNO3 eine starke Säure ist, die vollständig dissoziert. 

[last modified: 2018-04-15]