Ammoniak in Gewässern
Freies Ammoniak (NH3) ist eine toxische Spezies für Fische. Bei der Analyse wird üblicherweise die Summe, NH3 plus NH4+, als Gesamt-Ammonium oder Ammoniumstickstoff bestimmt. Angenommen, es werden gemessen:
| pH = 8.5 |
| T = 15 |
| Ammonium = 0.03 mM |
Gesucht ist die zugehörige NH3-Konzentration.
Vorgehensweise
Zunächst ist der vorgegebene Parametersatz unvollständig. Ammonium ist ein Kationen; es fehlt also mindestens ein Anion als Gegenspieler. Wir fügen deshalb 0.03 mM DIC (dessen Hauptform HCO3- ist) hinzu. Dies dient nur als Startwert; den exakten DIC-Wert ermittelt das Programm beim Ladungsausgleich.1
Also: Man beginnt mit reinem Wasser (Taste H2O) und stellt die Maßeinheit auf mmol/L (obere Checkbox Mol anklicken). Wir tragen ein:
| pH | = | 8.5 |
| T | = | 15 °C |
| Amm | = | 0.03 mM |
| DIC | = | 0.03 mM |
Mit Start beginnt die Rechnung. Das Wasser ist erwartungsgemäß nicht ladungsbilanziert (ca. 6 % Fehler). Zum Ladungsausgleich wählen wir den Parameter DIC. Daraufhin kommt die Meldung:
| DIC: 0.030 ⇒ 0.026 mM |
Unser gewählter DIC-Startwert wurde also um den kleinen Wert von 0.004 mmol/L gesenkt.
Die neue Lösung ist nun exakt ladungsausgeglichen. Mit der Taste weiter gelangt man zu den Ergebnistabellen. Die Taste Ionen (obere Menüleiste) zeigt die gesuchte Ammoniak-Konzentration:
| NH3: 0.00238 mM |
Damit liegen 8 % des gemessenen Ammoniumstickstoffs (0.03 mM) als NH3 vor (0.00238 mM). Aus numerischer Sicht ist das Ergebnis sogar ziemlich “stabil”2 und hängt kaum vom Typ des gewählten Anions ab (DIC oder Chlorid).
Ammoniak bei pH-Erhöhung
Man kann diese Berechnung für höhere pH-Werte wiederholen (bei konstantem Ammoniumstickstoff von 0.03 mM und T = 15). Mit steigendem pH nimmt NH3 zu:
| pH 8.5: 0.00238 mM |
| pH 8.6: 0.00294 mM |
| pH 8.7: 0.00360 mM |
| pH 8.8: 0.00440 mM |
| pH 8.9: 0.00534 mM |
| pH 9.0: 0.00643 mM |
Man beachte: Die Zunahme ist nicht linear, sondern exponentiell.
Ammoniak bei Temperatur-Erhöhung
Der pH-Wert ist nur die eine Seite der Medaille; als ein zweiter Umweltfaktor kommt die Temperatur ins Spiel. Wiederholt man die oberen Berechnungen für unterschiedliche Temperaturen (bei konstantem Ammoniumstickstoff von 0.03 mM), so erhält man für NH3 bei pH 8.5:
| 5 °C: 0.00113 mM |
| 10 °C: 0.00166 mM |
| 15 °C: 0.00238 mM |
| 20 °C: 0.00333 mM |
| 25 °C: 0.00456 mM |
Auch hier ist der Zusammenhang nicht-linear. Kurzum: Je höher die Temperatur (und/oder der pH) desto schlimmer die Folgen für Fisch und Natur.
Anmerkungen
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Man könnte genauso gut 0.03 mM Chlorid als Anion wählen (und diesen Wert anpassen lassen). Das hat auf die berechneten NH3-Werte keinen Einfluss. ↩
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Interessanterweise wird derselbe NH3-Wert in allen drei Spalten angezeigt. Das heißt: der Ladungsausgleich besitzt kaum Einfluss auf das Ergebnis (die erste Spalte zeigt nämlich den Gleichgewichtszustand vor dem Ladungsausgleich). Erst, wenn man in der Tabellen-Anzeige die Stellen nach dem Komma erhöht (in oberer Menüleiste), zeigt sich ein kleiner Unterschied zwischen der 1. und 2. Spalte. ↩