Ammoniak in Gewässern
Freies Ammoniak (NH3) ist eine toxische Spezies für Fische. Bei der Analyse wird üblicherweise die Summe, NH3 (Ammoniak) plus NH4+ (Ammonium), 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 Kation; es fehlt also mindestens ein Anion als Gegenspieler. Wir fügen deshalb 0.03 mM DIC (dessen Hauptform HCO3- ist) hinzu. Diese Zahl dient nur als Startwert; den exakten DIC-Wert ermittelt das Programm beim Ladungsausgleich.1
1. Wir beginnen mit reinem Wasser (Taste H2O) und stellen 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 |
Optional kann man dem Wasser auch einen Titel hinzufügen, etwa NH3 (als Filename in der oberen Zeile).
Mit der Taste Start beginnt die Berechnung.
2. Die erste Meldung betrifft den Ladungsbilanzfehler (von 6.6). Zum Ladungsausgleich wählen wir den Parameter “DIC” und klicken auf weiter ≫.
3. Daraufhin kommt die Meldung:
| DIC: 0.030 ⇒ 0.026 mM |
Unser vorgegebene DIC-Startwert wurde also um den kleinen Wert von 0.004 mmol/L gesenkt. Die neue Lösung ist nun exakt ladungsausgeglichen.
4. 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.2
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.
Ammoniak bei Temperatur-Erhöhung — Diagramme
Die Berechnung der T-Abhängigkeit lässt sich lässt sich mit dem Reaktions-Modul deutlich abkürzen. Dazu muss man allerdings von einer ladungsausgeglichenen Lösung ausgehen (die wir aber schon kennen). Mit anderen Worten, wir starten mit dem oberen Inputwasser, setzen aber DIC = 0.026 mM (anstelle von 0.03 mM). Danach Taste Reac.
1. Im Reaktionsfenster aktiviere man zuerst die zwei Kontrollkästchen Temperaturänderung und Titrationskurven etc. Danach kann man den T-Bereich eintragen: 5 bis 40.
Mit Klick auf Start beginnt die Berechnung.
2. Das erste Diagramm, dass sich standardmäßig immer öffnet, ist die pH-Änderung, was aber in diesem Fall uninteressant ist (denn pH = 8.5 wurde ja vorgegeben). Was uns interessiert ist die Spezies-Verteilung im rechten Screenshot. Dazu gehe man wie folgt vor.
im hellblauen Bereich unterhalb des Diagramms befinden sich zwei Zeilen mit Auswahlfeldern. Zuerst stelle man die jeweils zweite Spalte auf “IONS”. Danach kann man die Spezies im jeweils ersten Feld setzten: “NH4+” (rote Kurve) und “NH3” (blaue Kurve).
3. Klickt man im oberen Menu auf Show data, so werden die Zahlenwerte für “NH4+” und “NH3” tabellarisch angezeigt (siehe rechts).
Anmerkungen
-
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. ↩
-
Die erste Tabellenspalte zeigt den Gleichgewichtszustand vor dem Ladungsausgleich, die zweite Spalte nach dem Ladungsausgleich und die dritte Spalte nach dem Ausfällen von Festphasen (was hier nicht auftritt). Der Unterschied beim NH3-Wert zwischen der 1. und 2. Spalte ist aber in diesem Beispiel so klein, dass man ihn erst wahrnimmt, wenn man die Zahl der Nachkommastellen erhöht (in der oberen Menüleiste). ↩