WATER : CHEMISCHE ANALYSE

Transcriptie

1 Handleiding voor leerkrachten en gidsen die dit programma zelf willen begeleiden WATER : CHEMISCHE ANALYSE TWEEDE EN DERDE GRAAD SECUNDAIR ONDERWIJS Natuureducatiecentrum De Vroente Putsesteenweg Kalmthout tel. : 03/ fax. : 03/ devroente@lne.vlaanderen.be

2

3 2. Chemische analyse van water Water bevat veel opgeloste stoffen, al zie je ze niet met het blote oog. Daarom onderwerpen we het aan een chemisch onderzoek. Je hoeft enkel de instructies te volgen die zich in de koffers bevinden. Wees echter voorzichtig met de reagentia; mors niets op de grond of op je handen, want sommige zijn ongezond! Nadat de reacties afgelopen zijn en je je resultaten hebt genoteerd op het opnameblad, giet je de potjes leeg in de verzamelfles. Die komt nadien in de milieubox terecht. Algemeen Voor een optimale groei hebben planten naast koolstofdioxide ook mineralen nodig, zoals stikstof, fosfor, kalium en natrium. Ze kunnen zo de chemische samenstelling van het water sterk veranderen. Een duidelijk voorbeeld krijgen we bij de opname van stikstof- en fosforverbindingen. Drijvende en zwevende waterplanten nemen deze verbindingen enkel op uit het water zelf; wortelende soorten kunnen beide voedingsstoffen ook uit de bodem halen. Tijdens het groeiseizoen zal je dan ook in een vijver of ven weinig vrije N en P-verbindingen aantreffen, een winterstaal van hetzelfde water zal duidelijk meer van deze verbindingen bevatten. 2.1 Zuurtegraad of ph De zuurtegraad kan variëren tussen 0 en 14. Daarbij is 0 uiterst zuur en 14 uiterst basisch of zepig. Midden in de schaal ligt ph 7: bij deze waarde is de vloeistof neutraal. Enkele voorbeelden: ph 12: ph 8: ph 7: ph 6: ph 3-6: ph 3: ph 2: ph 1: ammoniumhydroxide is zeer basisch soda is zwak basisch zuiver water is neutraal regen is van nature licht zuur zure neerslag (door verontreiniging) cola en azijnzuur citroensap zwavelzuur Dieren en planten zijn in uiteenlopende mate gevoelig aan de zuurtegraad van het water. De figuur op de volgende bladzijde toont je enkele waterdieren en hun gevoeligheid voor zuur. De ph van het water is: Water - chemisch onderzoek NEC De Vroente - Kalmthout 1

4 Water - chemisch onderzoek NEC De Vroente - Kalmthout 2

6 Veroorzaakt deze zuurtegraad problemen voor het overleven van waterdieren? Zo ja, welke waterdieren zal je hier zeker niet vinden? Ecologische betekenis zuurgraad: In een zoetwaterbiotoop zal, onder invloed van de fotosynthese (die overdag veel intenser doorgaat dan de ademhaling) de ph in de loop van de dag stijgen. s Nachts zal de ph terug dalen. Deze ph-schommelingen kunnen wel hun effect hebben op de aanwezige organismen. Vissen hebben nood aan een ph tussen 5 en 9. Als de ph onder de 5 daalt worden de kieuwen aangetast en treden er huidontstekingen op. In de vennen op de Kalmthoutse Heide leeft dan ook geen vis. Er zijn echter heel wat zoetwaterongewervelden die wel bij een ph van 3,5 tot 5 kunnen leven. We zien op de hei en rond de vennen dan ook veel libellen. 2.2 Ammoniumgehalte, nitrieten en nitraten Zowel ammoniak (NH3) [of ammonium (NH4 + )] als nitrieten (N02 - ) en nitraten (NO3 - ) zijn afbraakproducten van natuurlijk afval. Afgevallen bladeren en takken, uitwerpselen, dierenkrengen... die in het water terechtkomen, worden er immers door bacteriën afgebroken. In een eerste stadium tot ammoniak/ammonium. Indien er voldoende zuurstofgas aanwezig is, wordt ammoniak/ammonium door andere bacteriën omgezet tot nitrieten en daarna verder tot nitraten. Dit proces noemen we rotting of mineralisatie. Het uiteindelijke eindproduct, de nitraten, zijn rechtstreekse voedingsstoffen voor planten. Ze maken er o.a. hun eiwitten mee aan. natuurlijke afval ammoniak/ammonium nitrieten nitraten Ook door (over)bemesting van akkers kan het gehalte ammoniak/ammonium sterk oplopen (zie bijlage voor stikstofcyclus). Bepaal het ammoniak/ammoniumgehalte: mg/l Volgende maatstaven kan je hanteren voor de beoordeling van je waterstaal: tot 0,08 mg/l van 0,08 tot 0,25 mg/l van 0,25 tot 0,75 mg/l vanaf 0,75 mg/l zeer goed aanvaardbaar licht vervuild zwaar vervuild Omcirkel de waarde die je hebt gemeten bij je waterstaal. Water - chemisch onderzoek NEC De Vroente - Kalmthout 4

7 Je hebt nu de aanwezigheid van NH4 + -ionen en ammoniak NH3 samen bepaald. Beide zijn afbraakproducten van eiwitten, maar daar waar NH4 + -ionen vrij onschadelijk zijn, is ammoniak reeds bij geringe concentratie gevaarlijk voor waterdieren. Het evenwicht tussen NH4 + en NH3 verschuift naargelang de ph van het water. In zuur water ligt het evenwicht naar NH4 + toe en is er dus geen gevaar; in basisch water daarentegen komt eerder NH3 voor en wordt het water toxisch. bij ph 6: 0% van het ammoniak/ammoniumgehalte bestaat uit NH3 bij ph 7: 1% bij ph 8: 4% bij ph 8,3: 10% bij ph 9: 25% bij ph 10: 78 % De ph van dit water is:. De concentratie NH3 is in dit geval: % van.mg/l=. mg/l NH3. Bepaal het nitrietgehalte:.. mg/l Dit tussenproduct van eiwitafbraak is zeer giftig. Als veel biologisch afbreekbaar materiaal in de waterloop terechtkomt, kan het nitrietgehalte sterk stijgen. Een gehalte van 1 mg/l kan reeds dodelijk zijn voor een aantal waterorganismen. Drinkwater mag nooit meer dan 0,1 mg/l nitriet bevatten. Je kunt volgende maatstaven hanteren: minder dan 0,1 mg/l: tussen 0,1 en 1 mg/l: meer dan 1 mg/l: zuiver water vervuild water sterk vervuild water Omcirkel de waarde die je hebt gemeten bij je waterstaal. Bepaal het nitraatgehalte:.. mg/l Nitraten zijn de eindproducten van biologische afbraak. Ze kunnen echter ook kunstmatig aan het water zijn toegevoegd. Zo kan bv. een riool, waarvan het water nog veel biologisch afbreekbaar materiaal bevat, uitkomen in de rivier of kunnen meststoffen van (over)bemeste akkers met het regenwater afspoelen tot in de riviertjes. In de laatste gevallen kan de overmaat aan voedingsstoffen een ongeremde groei van waterplanten, vooral wieren, veroorzaken. Een dergelijke verstoring van het biologisch evenwicht kan drastische gevolgen hebben. Overdag maken de planten massaal zuurstofgas aan door het fotosyntheseproces. Maar wat kan er s nachts gebeuren?... Welke gevolgen kan dat hebben?... Water - chemisch onderzoek NEC De Vroente - Kalmthout 5

8 Je kan volgende maatstaven hanteren: tot 4 mg/l: zeer zuiver water 4 tot 12 mg/l: aanvaardbaar 12 tot 36 mg/l: licht verontreinigd 36 tot 108 mg/l: duidelijk verontreinigd meer dan 108 mg/l: sterk verontreinigd Omcirkel de waarde die je hebt gemeten bij je waterstaal. Ecologische betekenis van N-verbindingen Ammonium Ammonium is giftig voor vissen omdat het omgezet wordt tot ammoniak dat zich op de kieuwen vastzet. Bij een ph lager dan 6 wordt ammonium niet omgezet en is het niet gevaarlijk. In verzuurde en met ammonium verrijkte vennen domineren algemene soorten waterwantsen, libellenlarven, waterkevers en muggenlarven. De meer typische soorten, eigen aan het arme venwater, verdwijnen. Nitriet Indien er voldoende zuurstofgas in het water aanwezig is, is er weinig kans dat er nitrieten aanwezig zijn. Nitriet is giftig omdat het zich in de cellen bindt met de aanwezige amines tot (kankerverwekkende) nitrosamines. Nitraat In een vijver in evenwicht vindt men zelden een hoog nitraatgehalte in het water (zie hoger). In oppervlaktewater waar infiltratie is vanuit landbouwgebieden of aanvoer van rioleringswater zijn er wel hoge nitraatgehalten te meten. Samen met de fosfaten zijn ze een belangrijke oorzaak van eutrofiëring (verrijking) van het water. De nitraatvermesting van vennen tengevolge van de stikstofoxiden, afkomstig van verkeer en industrie, uit zich in een toename van snelgroeiende stikstofminnende plantensoorten (vb. Pitrus). 2.3 Hardheid De totale hardheid van water wordt voornamelijk bepaald door de hoeveelheid calcium- en magnesiumverbindingen samen. Bij hoge gehaltes aan deze stoffen spreekt men van hard water, bij lage gehaltes over zacht water. Calcium is voor veel waterdiertjes levensbelangrijk. Waarvoor hebben slakjes en Crustacea (kreeftachtigen) de kalk nodig?. Water - chemisch onderzoek NEC De Vroente - Kalmthout 6

9 Info: Je kan die kalk in water zelf zien als je in een waterkoker in je keuken kijkt: de ketelsteen die achterblijft na herhaald uitkoken van water is precies de kalk. Niet alle water is even hard. Je hebt op reis misschien al wel gemerkt dat in bergstreken de zeep waarmee je je handen wast nauwelijks wil schuimen. Dat komt door de hoge hardheid van het water uit de kalkrijke bergriviertjes daar. In onze streken is het water minder hard. Ook met zeewater je handen wassen levert geen zeepschuim op: zeewater is hard. De hardheid wordt uitgedrukt in Duitse graden : d. Eén Duitse graad staat voor 10 mg calciumoxide per liter. E Bepaal nu de totale hardheid van het water:.. d We maken volgende indeling: 0 tot 4 d: zeer zacht water 5 tot 8 d: zacht water 9 tot 12 d: halfzacht water 13 tot 18 d: tamelijk hard water 19 tot 30 d: zeer hard water M Het onderzochte water is: Voor levende organismen is 12 d de minimale hardheid. B Is dat minimum bereikt in het waterstaal? We bepalen nu ook de carbonaathardheid. Dit is het gedeelte van de totale hardheid, uitsluitend te wijten aan de aanwezigheid van calciumcarbonaat en magnesiumcarbonaat. In deze vorm opgelost, zijn calcium en magnesium het best beschikbaar voor de waterorganismen. E De carbonaathardheid van het water is:.. d 2.4 Zuurstofgas De meeste waterdieren nemen het nodige zuurstofgas uit het water. Slechts een beperkt aantal soorten komt telkens opnieuw naar de oppervlakte om daar zuurstofgas uit de lucht op te doen (longslakken, bootsmannetjes, geelgerande watertorren,...). Bij stilstaand water is het in het water opgeloste zuurstofgas hoofdzakelijk afkomstig van de fotosynthese van de aanwezige groene planten, alleen maar een gering gedeelte komt via diffusie vanuit de lucht in het water terecht. Naarmate de waterbeweging toeneemt (bij sterke golfslag bv.) gaat meer en meer zuurstofgas uit de lucht in het water oplossen. Onder niet-gestoorde omstandigheden wijkt het gehalte zuurstofgas doorgaans niet veel af van de verzadigingswaarde; dit is de maximale hoeveelheid zuurstofgas (in mg) die bij een bepaalde temperatuur in 1 liter water opgelost kan worden. Water - chemisch onderzoek NEC De Vroente - Kalmthout 7

10 Vandaar dat het zuurstofgasgehalte ons helpt een oordeel te vormen over het al dan niet gestoord zijn van het biologische evenwicht. Bij sterke verontreiniging (dus bij grote aanvoer van organische, eiwitrijke afvalstoffen) zal de afbraak ervan door bacteriën erg veel zuurstofgas verbruiken, zodat de concentratie van het opgeloste zuurstofgas snel daalt en veel waterorganismen in ademnood geraken (lucht happen bij vissen: zuurstofgasgehalte <5 mg/l). Daalt de concentratie beneden de 3 mg/l dan sterven de meeste vissen. Zakt het zuurstofniveau tot nul, dan wordt de rol van bovenvermelde bacteriën door anaërobe soorten overgenomen. Die kunnen zonder zuurstofgas toch de noodzakelijke ademhalingsprocessen op gang houden. Als bijproduct produceren ze o.a. H2S, een giftig gas met de typische geur van rotte eieren: de waterloop wordt een open riool, waaruit de meeste levensvormen verdwijnen. Bij de interpretatie van de verkregen gegevens moeten we er rekening mee houden dat de verzadiging van water voor zuurstofgas afhankelijk is van de luchtdruk, het zoutgehalte en de temperatuur van het water. D Bepaal het zuurstofgasgehalte: mg/l. Bepaal de watertemperatuur:.. C. Zoek in de figuur (op volgende bladzijde) of het water al dan niet verzadigd is met O2: maak een verbindingslijn tussen de watertemperatuur en het gemeten O2 -gehalte en lees op de schuine lijn het verzadigingspercentage af. M.a.w. het water is onderverzadigd / verzadigd / oververzadigd aan O2. Geef een mogelijke verklaring: Ecologische betekenis Zuurstofgehalte Het zuurstofgasgehalte van het water wordt o.a. beïnvloed door de ligging van de vijver of ven (windstille plaats), de oeverbegroeiing (beschaduwing) en de plantengemeenschap van de vijver zelf. Alleen ondergedoken waterplanten verhogen overdag de zuurstofconcentratie in het water; s avonds en s nachts overheerst de ademhaling. In het groeiseizoen komt het regelmatig voor dat er dagelijkse fluctuaties van 10 mg zuurstofgas per liter gemeten worden. Water - chemisch onderzoek NEC De Vroente - Kalmthout 8

12 2.5 Fosfaatgehalte In normale (natuurlijke) concentraties is fosfaat een essentiële voedingsstof voor planten. Grote concentraties aan fosfaten (en ook nitraten) betekenen echter een belangrijke bron van voedselverrijking of eutrofiëring. Dit leidt tot een buitensporige groei van algen (algenbloei), met de gekende gevolgen: sterke schommelingen in het zuurstofgehalte van het water, vissterfte en het optreden van rottingsprocessen. Zuiver water bevat 0,1 mg PO4 3- /I, terwijl water uit moerassige gebieden tot 1 mg PO4 3- /I kan bevatten. Hoge concentraties aan fosfaten wijzen op vervuiling, meestal van huishoudelijke (wasmiddelen) en industriële oorsprong of uitspoeling van bemeste gronden (zie bijlage voor fosforcyclus). Enkele criteria voor de beoordeling van een waterstaal: tot 0,03 mg/i voedselarm (oligotroof) 0,03-0,1 mg/i matig voedselrijk (mesotroof) 0,1-0,3 mg/i voedselrijk (eutroof) 0,3-0,9 mg/i verontreinigd (hypotroof) vanaf 0,9 mg/i sterk verontreinigd Omcirkel de waarde die je hebt gemeten bij je waterstaal. Ecologische betekenis van het fosfaatgehalte In een folievijver of een ven op de Kalmthoutse Heide gaan we zelden een hoog fosfaatgehalte vinden. Een verhoogd fosfaatgehalte bevordert de groei van de zoetwaterorganismen (zie eutrofiëring). 2.6 Geleidbaarheid Door het meten van het elektrisch geleidingsvermogen van water krijg je informatie over de hoeveelheid opgeloste vervuilende stoffen. En vooral van de opgeloste zouten die in het water voorkomen. Zouten in het water zijn een onmisbaar voedselbestanddeel voor de planten die er leven. Maar water met teveel zouten wordt 'brak' en de meeste planten kunnen hier slecht tegen. Ook zoetwatervissen kunnen bij te hoge zoutconcentraties niet meer ademhalen. Door lozing van afvalwater en uitspoelen van mest kunnen de hoeveelheden zouten in het water stijgen. Het elektrisch geleidingsvermogen van water met veel opgeloste zouten is hoger dan het elektrisch geleidingsvermogen van water met weinig opgeloste zouten. Het elektrisch geleidingsvermogen wordt uitgedrukt in millisiemens per centimeter (ms/cm). Waarden tussen 0,01 en 0,2 ms/cm komen het meest voor. Water bevat dan genoeg zouten voor plantengroei. Werkwijze: Plaats de meetelektrode voorzichtig in het water. Schakel de meter in en lees de geleidbaarheid af wanneer de uitleeswaarde tot rust komt. Noteer de geleiding:.. ms/cm Spoel de elektrode en breng het beschermdopje weer aan. Beoordeel de geleidbaarheid van je waterstaal:.. Water - chemisch onderzoek NEC De Vroente - Kalmthout 10

13 Overzichtstabel chemisch wateronderzoek staal 1 staal 2 staal 3 staal 4 Norm (oppervlaktewater; basiskwaliteit) ph 6,5-8 Ammonium (NH 3 en NH 4+ ) (in mg/l) Nitriet (NO 2- ) (in mg/l) G * < 1; A < 5 < 0,06 (Ned) Nitraat (NO 3- ) (in mg/l) (< 11,3 voor drinkwater) NO2 - + NO3-10 mg/l Totale hardheid (in d) Carbonaathardheid (in d) (voor levende organismen > of = 12 d) (geen norm beschikbaar) Watertemperatuur ( C) < 25 Zuurstofgehalte (mg/l) > 5 verzadigingswaarde (in %) rivierwater: <30 % = slecht; % = goed Fosfaatgehalte (in mg/l) G * < 0,3; A < 1 Geleidbaarheid (in ms/cm) * G: gemiddeld; A: absoluut <1mS/cm Opmerkingen: Water - chemisch onderzoek NEC De Vroente - Kalmthout 11

14 N2 NO3 - O2 O2 NO2 - NH3 / NH4 + Water - chemisch onderzoek NEC De Vroente - Kalmthout 12