Grüße chemweazle,
Umweltanalytik: Aufgaben zu einer Wasserprobe
Aufgabe: Eine Wasserprobe enthält 9 mg/l biologisch abbaubare 4-Hydroxybenzoesäure (Summenformel C7H6O3 und 15 mg/l eines biologisch schwer abbaubaren Biopolymeren mit der Summenformel C16H18O5 und der molekularen Masse 150.000 g/mol.
Bemerkung zum BSB5-Wert in Aufgabe 2b).
Den, BSB5 Biochemischen Sauerstoffbedarf in 5 Tagen der Bakterien, zum teilweisen Abbau dieser beiden Substanzen errechne und schätze ich aus mangelnder Erfahrung nicht.
4-Hydroxybenzoësäure oder p-Hydroxybenzoësäure
HO–C6H4–COOH
C7H6O3 , M = (12*7+1*6+16*3) g / mol = 138 g / mol
1. Formulieren Sie die beiden Reaktionsgleichungen für die vollständige Oxidation der Wasserinhaltsstoffe mit Sauerstoff (O2).
Oxidation der 4-Hydroxybenzoësäure mit Sauerstoff
C7H6O3 + 7 O2 → 7 CO2(g) ↑ + 3 H2O(l)
Durchschnittliche Kettenlänge des Biopolymers-[ ]-[ ]-[ ]-[ ]-[ ]-[ ]-[ ]-[ ]-[ ]-[ ]-[ ]-[ ]-[ ]-[ ]-[ ]-[ ]-[ ]-[ ]-[ ]-[ ]-[ ],
-[ ]n
Repetiereinheit : -[ ]
Biopolymer, Summenformel der Repetier-Einheit : C16H18O5
Molmasse der Repetiereinheit, M(Repetiereinheit) :
M(C16H18O5) = 290 g / mol
Die durchschnittliche Kettenlänge, n, das ist die Anzahl der Repetier-Einheiten, des Biopolymers lautet Molmasse des Polymers geteilt durch die Molmasse einer Repetier-Einheit, M(Repetiereinheit)
$$n = \frac{M(Polymer)}{M(Repetiereinheit)} = \frac{150.000\cdot g\cdot mol}{290\cdot g\cdot mol} \approx 517$$
Formel des Biopolymers mit der durchschnittlichen Kettenlänge von n= 517:
[ C16H18O5 ]n, mit n = 517
C16nH18nO5n
[ C16H18O5 ]517
Oxidation des Biopolymers
Ein mol Biopolymer-Moleküle haben insgesamt 517 mol Repetier-Einheiten.
Ein mol Biopolymer-Moleküle beinhalten 16 mal 517 mol Kohlenstoffatome, 18 mal 517 mol Wasserstoffatome und 5 mal 517 mol Sauerstoffatome.
Zur Aufstellung(Formulierung) der Reaktionsgleichung als solches, braucht man den Faktor n = 517 nicht mitschleppen, denn er läßt sich auf beiden Seiten herauskürzen.
Deshalb wird nur die Oxidation der Repetier-Einheit mit Sauerstoff formuliert.
C16H18O5 + 18 O2 → 16 CO2(g) ↑ + 9 H2O
Zu
2. Berechnen Sie
a) den TOC-Wert (Total Organic Carbon)
b) den zu erwartenden BSB5-Wert (Biochemischer Sauerstoffbedarf)
c) den CSB-Wert (Chemischer Sauerstoffbedarf)
der Wasserprobe.
****
Massen und Stoffmengen( Molekülzahlen gemessen in mol) der beiden Substanzen
Abkürzungen: 4-Hydroxybenzoësäure, abgk. mit 4HBS und das Biopolymer, abgk. mit BP
Massenkonzentration von 4-Hydroxybenzoësäure, β (4HBS) = 9 mg /
Massenkonzentration des Biopolymers : β (BP) = 15 mg / l
1 Liter der Probelösung enthält folgende Massen und Stoffmengen, mit m = β * V V = 1 l
m(4HBS) = β (4HBS) * V = ( 9mg / l) * 1 l = 9 mg = 0,009 g
m(BP) = β (BP) * V = (15 mg / l) * 1l = 15 mg = 0,015 g
Stoffmengen n = ( m /M )
$$ n(4HBS)= \frac{0,009\cdot g\cdot mol}{138\cdot g} \approx 6,522\cdot 10^{-5}\cdot mol$$
$$n(BP) = \frac{0,015\cdot g\cdot mol}{150.000\cdot g} = \frac{15}{15}\cdot 10^{-3}\cdot 10^{-4}\cdot mol = 1\cdot 10^{-7}\cdot mol$$
Anzahl der Kohlenstoffatome, C-Atome
4HBS enthält im Molekül 7 C-Atome, 1 mol Moleküle ergeben 7 mol C-Atome.
n(C) = 7 n(4HBS) ≈ 7 · 6,522 · 10-5 mol = 4,5654 · 10-4 mol
Masse des Kohlenstoffs von 0,00045654 mol 4HBS lautet, mit, m = n * M , und M(C) = 12 g / mol :
m(C)4HBS = n(C) * M(C)
m(C)4HBS = 4,5654 · 10-4 mol · ( 12 g / mol ) = 0,005478648 g
Das Biopolymer, abgk. mit BP, enthält pro Molekül 517 Repetier-Einheiten mit jeweils 16 C-Atomen.
n(C)BP = n(BP) * 517 * 16 = 10-7 mol * 517 * 16 = 8,272 * 10-4 mol = 0,0008272 mol
Masse der Kohlenstoffatome in den 0,0008272 mol BP-Molekülen
m(C)BP = 8,272 * 10-4 mol * ( 12 g / mol ) = 0,0099264 g
Gesamtmasse an Kohlenstoff beider Substanzen, von BP plus 4HBS
mges(C) = m(C)4HBS + m(C)BP = 0,015405048 g
mges(C) = 0,005478648 g + 0,0099264 g = 0,015405048 g ≈ 0,0154 g = 15,4 mg
Beide Substanzen im Probevolumen von 1 Liter enthalten zusammen gerundet 15, 4 mg an Kohlenstoff. Diese Masse bezogen auf einen Liter Probevolumen ergibt den TOC-Wert der Probe.
Total Organic Carbon (TOC): TOC = 15,4 mg / l
Der Chemische Sauerstoffbedarf, CSB-Wert
1 mol der 4-HBS reagiert bei der vollst. Verbrennung mit 7 mol Sauerstoffmolekülen zu Wasser und Kohlendioxid.(siehe Reaktionsgleichung)
Benötigte Stoffmenge und Masse an Sauerstoff für die vollst. Verbrennung der 4HBS
n(O2)4HBS = 7 *n(4HBS) = 7 * 6,522 * 10^-5 mol = 4,5654 * 10^-4 mol
Masse an Sauerstoff zur 4HBS-Verbrennung
m(O2)4HBS = 4,5654 * 10^-4 mol * ( 16 g * mol-1 ) = 0,00730464 g ≈ 0,007 g = 7 mg
Das Biopolymer, abgk. mit BP, enthält 517 Repetier-Einheiten.
1 mol BP hat insgesamt 517 mol Repetier-Einheiten.
Eine Repetier-Einheit verbraucht zur vollständigen Verbrennung in Kohlendioxid und Wasser 18 Moleküle Sauerstoff, 1 mol Repetiereinheiten benötigen somit 18 mol Sauerstoff.
Ein mol des Biopolymers benötigt demnach 517 mal 18 mol Sauerstoffmoleküle zur vollst. Oxidation.
Stoffmenge und Masse an Sauerstoff zur vollst. Oxidation des Biopolymers
n(O2)BP = 517 * 18 *n(BP)
n(O2)BP = 517 * 18 *1 *10-7 mol = 9,306 * 10-4 mol
m(O2)BP = 9,306 * 10-4 mol * * ( 16 g * mol-1 ) = 0,0148896 g ≈ 0,015 g = 15 mg
Gesamtmasse an Sauerstoff zur vollst. Oxidation beider Substanzen bezogen auf einen Liter Probenvolumen
$$CSB = \frac{(7 + 15)\cdot mg}{l} = \frac{(22)\cdot mg}{l}$$
3. Beschreiben Sie kurz drei verschiedene Verfahren, die geeignet sind, das Biopolymere aus der Wasserprobe zu eliminieren.
1.Flüssig-Flüssig-Extraktion mit z.B. Diethylether, Toluen oder Chloroform
2. Umkehr-Osmose
3. Adsorbtion an Aktivkohle
