DE102006016822B4

DE102006016822B4 - Volumenbestimmung von Gewässern

Info

Publication number: DE102006016822B4
Application number: DE200610016822
Authority: DE
Inventors: Thomas Willuweit; Maggie Hofmann; Noel Stüdemann
Original assignee: Soell GmbH
Current assignee: Soell GmbH
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2011-12-29
Anticipated expiration: 2026-04-08
Also published as: WO2007115556A2; WO2007115556A3; DE102006016822A1

Abstract

Verfahren zur Volumenbestimmung von offenen und geschlossenen Hohlkörpern, Gruben sowie Gartengewässern (V), welches die Schritte umfasst A1. falls erforderlich Füllen von V mit Wasser B1. Vorlegen einer definierten Menge MB Reaktant und eines Indikators mit einem definierten Umschlagspunkt, C1. Zugabe von Wasser aus V zu Reaktant und Indikator aus Schritt B1 in einer Menge bis der Indikator einen Farbwechsel anzeigt, und Bestimmen der zugegebenen Menge Wasser Vc, D1. Zugabe einer definierten Menge einer Substanz MD zum Volumen V, die Eigenschaften des Wassers verändert, E1. Zugabe von Wasser aus Schritt D1 zu einer definierten Menge ME Reaktant und pH-Indikator mit einem definierten Umschlagspunkt bis der pH-Indikator einen Farbwechsel anzeigt, und Bestimmen der zugegebenen Menge Wasser VE, F1. Bestimmen der Differenz D aus den in C1 und E1 zugegebenen Mengen Wasser, G1. Ermitteln des Volumens V aus der Differenz D, sowie aus mindestens einer der...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Volumenbestimmung von offenen und geschlossenen Hohlkörpern, Gruben sowie Gewässern sowie ein Kit, mit dessen Komponenten die Volumenbestimmung durchgeführt werden kann.
US 4,354,376 offenbart einen Pipettenkalibrierungs-Kit, der eine Vielzahl von Lösungen mit jeweils vorher bestimmten Konzentrationen enthält. US 4,354,376 stellt somit ein Mittel zum Kalibrieren von Pipetten bereit, wobei kolorimetrische Verfahren zur Anwendung kommen.
US 5,492,673 betrifft ein Reagenzsystem zum genauen Bestimmen des Volumens einer Pipette unter Verwendung eines Photometers.
WO 00/59616 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung des Fassungsvermögens eines Tankes unter Verwendung von Mikrokapseln, die gleichförmig in einer Flüssigkeit verteilt sind.
WO 02/40161 offenbart ein Verfahren, eine Vorrichtung und einen Test-Kit zur Bestimmung des Volumens einer Flüssigkeitsprobe, bei dem eine Konzentration eines chromophoren Indikators in dieser Flüssigkeit erstellt, eine Probe der Flüssigkeit abgetrennt, die optische Absorption der abgetrennten Probe gemessen und das Volumen der abgetrennten Probe durch Korrelation der gemessenen optischen Absorption mit der Konzentration des Indikators in der Flüssigkeit bestimmt wird.
Die Bestimmung von unbekannten Volumina ist in der Praxis schwierig, wenn der Volumenkörper keine exakte geometrische Form aufweist, beispielsweise bei Wasserreservoirs, wie Gartenteichen etc.. Insbesondere im Gartenbereich werden von den Gartenbetreibern Teichanlagen bevorzugt eingesetzt, die sich durch eine besondere Gestaltungsform auszeichnen. Bei der Teichpflege stößt der Betreiber auf des Problem, dass ohne genaue Kenntnis des Wasservolumens Fischbestand und Bepflanzung oder Auslegung der Teichtechnik nur ungefähr abgeschätzt werden können. Auch der Zusatz von Futtermittel, Teichpflegemitteln etc. ist vom Wasservolumen abhängig.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu steilen, mit welchem auch Laien Wasservolumina unbekannter Größe ermitteln können.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demgemäß ein Verfahren zur Volumenbestimmung von offenen und geschlossenen Hohlkörpern, Gruben sowie Gartengewässer (V), welches die Schritte umfasst

A1. falls erforderlich Füllen von V mit Wasser
B1. Vorlegen einer definierten Menge M_B1 Reaktant und Indikator mit einem definierten Umschlagspunkt,
C1. Zugabe von Wasser aus V zu Reaktant und Indikator aus Schritt B1 in einer Menge bis der Indikator einen Farbwechsel anzeigt, ggf. Bestimmen der zugegebenen Menge Wasser V_C1,
D1. Zugabe einer definierten Menge M_D1 einer Substanz, die die Eigenschaften des Wassers verändert,
E1. Zugabe von Wasser aus Schritt D zu einer definierten Menge M_E1 Reaktant Indikator, bis der Indikator einen Farbwechsel anzeigt, ggf. Bestimmen der zugegebenen Menge Wasser V_E1,
F1. Bestimmen der Differenz D der in C und F zugegebenen Mengen Wasser V_C1 und V_E1,
G1. Ermitteln des Volumens V aus den Messgrößen Differenz G, pH-Wert, Härte und/oder Redoxpotential des Wassers am Umschlagspunkt des Indikators und der Menge der in Schritt D zugegebenen Substanz

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Volumenbestimmung von offen und geschlossenen Hohlkörpern, Gruben sowie Gartengewässern (V), welches die Schritte umfasst

A2. falls erforderlich Folien von V mit Wasser
B2. Vorlegen einer definierten Menge Wasser V
C2. Zugabe eines Reaktant M_C2 und Indikator mit einem definierten Umschlagspunkt zum Wasser Schritt B bis der Indikator einen Farbwechsel anzeigt, ggf. Bestimmen der zugegebenen Menge Reaktant M_C2,
D2. Zugabe einer definierten Menge einer Substanz M_D, die die Eigenschaften des Wassers verändert,
E2. Zugabe von Reaktant M_E2 und pH-Indikator mit einem definierten Umschlagspunkt zu einer definierten Menge Wasser aus Schritt D2 bis der Indikator einen Farbwechsel anzeigt, ggf. Bestimmen der zugegebenen Menge Wasser V_E,
F2. Bestimmen der Größendifferenz D aus den in C2 und F2 zugegebenen Mengen Reaktant,
G2. Ermitteln des Volumens V aus den Messgrößen Differenz D, pH-Wert, Härte und/oder Redoxpotential des Wassers am Umschlagspunkt des Indikators und der Menge der in Schritt D zugegebenen Substanz.

Die beiden beanspruchten Verfahren unterscheiden sich dadurch, dass im zuerst genannten Verfahren der Reaktant als konstante Größe und die zugegebene Menge Wasser eine Variable ist und im zweiten Verfahren wird die Menge Wasser konstant gehalten und die Menge Reaktant variiert in Abhängigkeit vom vorgelegten Wasser.
Die Verfahrensschritte D1 und D2, F1 und F2 sowie G1 und G2 sind in der Regel gleich.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auf einfache Weise möglich Volumina unbekannter Größe zu bestimmen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch von Laien durchgeführt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass zur Durchführung des Verfahrens preiswerte im Handel erhältliche Substanzen und Geräte eingesetzt werden können, die nach der Volumenbestimmung ohne weiteres entsorgt werden können. Aus den erhaltenen Messgrößen können neben dem Volumen auch die Wasserhärte oder die Pufferkapazität des Wassers ermittelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht im Wesentlichen auf der Eigenschaft von Wasser, das sich der pH-Wert von Wasser durch Zugabe von Säuren und/oder Basen sehr schneit ändert und diese Änderung auch von Laien festgestellt und quantifiziert werden kann. Auch die Änderungen des Redoxverhältnisses oder der Wasserhärte vollziehen sich rasch und können vom Laien in vorbereiteten Kits problemlos ermittelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Volumenbestimmung von beliebigen Hohlkörpern, einschließlich offenen Hohlkörpern, Erdgruben, Gartengewässern eingesetzt werden. Besonders geeignet ist des Verfahren zur Bestimmung von Volumina, die zur Aufnahme von Wasser bestimmt sind, wie natürliche und künstliche Gewässer. Im Folgenden wird das Volumen, das zu bestimmen ist mit V bezeichnet. Für den Fan, dass des zu bestimmende Volumen ungefüllt ist, wird dieses in einem ersten Verfahrensschritt A mit Wasser gefüllt.
Im Verfahrensschritt B1 werden eine definierte Menge M_B Reaktant und ein Indikator mit definiertem Umschlagspunkt vorgelegt Anschließend (Verfahrensschritt C) wird Wasser aus Volumen V zum Gemisch aus Reaktant und Indikator gegeben, bis der Indikator einen Farbumschlag zeigt Die bis zum Erreichen des Umschlegspunktes zugegebene Menge Wasser kann, falls erforderlich, bestimmt werden und wird mit V_C bezeichnet.
Im Verfahrensschritt B2 wird eine definierte Menge Wasser V_B2 vorgelegt und eine Menge M_B Reaktant und ein Indikator mit bekanntem Umschlagspunkt zum Wasser gegeben, bis der Indikator einen Farbumschlag zeigt. Die bis zum Erreichen des Umschlagspunktes zugegebene Menge Reaktant wird ermittelt.
Als Reaktanden sind solche Verbindungen geeignet, die die Eigenschaften von Wasser in einer Weise verändern können, dass diese mit einem geeigneten Indikator angezeigt werden. Beispiele für Reaktanden sind Säuren, Basen, Reduktionsmittel, Oxidationsmittel, Puffer, Komplexbildner, usw. Als Säuren sind beliebige anorganische und organische Säuren geeignet, beispielsweise Salzsäure, Schwefelsäure, Oxalsäure, Phosphorsäure, Salpetersäure, Essigsäure, Alkalihydrogensulfate, organische Säuren wie Zitronensäure, Weinsäure etc. Als Basen kommen beliebige anorganische Stoffe in Betracht, vorzugsweise Alkali- oder Erdalkalioxide, -hydroxide, -carbonate, hydrogencarbonate. Beispiele für Reduktionsmittel sind Na₂S₂O₃, Jodide, wie Nal, Vitamin C, als Oxidationsmittel können Nitrit-, Permanganat-, Hypochlorid-, Chlorat, Peroxoanionen oder, Peroxide, eingesetzt werden. Als Komplexbildner sind solche geeignet, die dazu in der Lage sind. Erdalkaliionen, insbesondere Ca²⁺ und Mg²⁺, komplex zu binden, wobei bevorzugt Substanzen eingesetzt werden, die in Maßlösungen zur Titration verwendet werden können, Chelatbildner wie Polyoxycarbonsäuren, Polyaminen, EDTA, NTA etc. (Römp-Chemie-Lexikon, Thieme Verlag Stuttgart/New York).
Der erfindungsgemäß eingesetzte Indikator wird geeigneterweise mit der vorgelegten Substanz abgestimmt, d. h. ist der Reaktant eine Säure, Lauge oder ein Puffer sollte ein pH-Indikator verwendet werden, bei Einsatz einer reduzierenden oder oxidierenden Verbindung ein Redoxindikator und wird als Reaktand eine komplexierende Verbindung vorgelegt, wird ein mit dieser Verbindung abzustimmender Metallochrom-Indikator, ein entsprechendes Indikatorgemisch oder -system eingesetzt.
Als pH-Indikator wird vorzugsweise ein Indikator oder Indikatorgemish mit einem Umschlagsbereich gewählt, der einen Abstand von mindestens 1 bis 2 pH-Einheiten zum pH-Wert des Wassers im Volumen V aufweist. Dadurch wird sichergestellt, dass der Umschlagspunkt und somit die zugegebene Menge an Wasser aus dem Volumen V zur Säuremenge eindeutig ist. Geeignete Indikatoren sind z. B. Kongorot, Bromphenolblau, Bromchlorphenolblau, Methylorange, α-Naphthylrot, Bromkresolgrün, 2,5-Dinitrophenol, Alizarinrot, Anilinblau, Methylrot, Ethylrot, Karminsäure, Phenolphthalein oder Mischungen aus 2 oder mehr Indikatoren. Der Farbwechsel des Indikators erfolgt bei einem bestimmten pH-Wert, der vom jeweils ausgewählten Indikator abhängt und bekannt ist. Ein Farbwechsel des Indikators in dem pH-Bereich zwischen 3,0 und 5,5 bzw. 7,8 und 9,3 ist bevorzugt. Das bedeutet, wenn der Farbwechsel des Indikators eintritt, ist der pH-Wert des Indikators und somit die H⁺-Ionen-Konzentration bzw. die Pufferkapazität bekannt.
Geeignete Redoxindikatoren sind z. B. Methylenblau, Ferroin-Indikator oder Jod-Stärkelösung, vgl. a. Römp-Chemie-Lexikon, Thieme Verlag Stuttgart/New York und dort genannte. Indikatoren, die in Kombination mit komplexierenden Verbindungen verwendet werden können, sind z. B. Eriochrom-Farbstoffe, Calcein, Aurintricarbonsäure, Calmagnit, Calconcarbonsäure, Zincon, Thorin, Murexid etc..
In einer möglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Säure vorgelegt. Leitungswasser zeigt einen pH-Wert von ca. 7,8 stehende Gewässer, wie Gartenteiche und ähnliche Gewässer weisen einen pH-Wert > 7,5 und in einigen Fällen sogar über 8,3 auf. Der pH-Wert von Gewässern liegt also im schwach basischer Bereich, selten im sauren Bereich unter pH 4,3. Ein Wechsel des pH-Wertes vom alkalischen in den sauren Bereich hat weiter den Vorteil, dass Indikatoren mit einem deutlichen Farbumschlagspunkt eingesetzt werden können. Geeignete Indikatoren sind oben beschrieben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können als Reaktant ein Reduktionsmittel und als Indikator ein entsprechender Redoxindikator vorgelegt werden. In dieser Ausführungsform ist die Substanz, die in Verfahrensschritt D zugegeben wird vorzugsweise ein Oxidationsmittel. Enthält des Reservoir keine natürlicherweise vorhandenen Oxidationsmittel, so wird sich als V_c kein Wert ermitteln lassen. Dann ist die Größe V_E alleine umgekehrt proportional der Teichgröße.
In einer anderen möglichen Ausführungsform werden ein Komplexbildner als Reaktant und ein auf diesen Komplexbildner abgestimmter Indikator eingesetzt Eine mögliche Kombination aus Reaktant und Indikator ist EDTA und Murexid. In dieser Ausführungsform sollte in des zu prüfende Volumen (V) in Schritt D eine Menge M₀ Härtebildner oder ebenfalls ein Komplexbildner eingebracht werden. Aufgrund der Änderung der messbaren Wasserhärte vor und nach der Zugabe wird die Differenz aus V_C und V_E ermittelt.
Im nächsten Verfahrensschritt D wird dem Volumen V eine definierte Menge M_D einer Substanz gegeben, die die Eigenschaften des Wassers verändert. Die Substanz M_D kann beispielsweise den pH-Wert des Wasser verändern, puffernde, redoxaktive und/oder wasserhärtebildende Eigenschaften zu V aufweisen. Durch den Zusatz dieser Substanzen verändert sich die Pufferkapazität, und/oder der pH-Wert des Wassers und/oder Wasserhärte und/oder es ändert sich das Redoxpotential. Der in Verfahrensschritt B vorgelegte Reaktant, der Indikator sowie die in Verfahrensschritt D zugesetzte Substanz werden geeigneterweise aufeinander abgestimmt.
Wird in Schritt D eine puffernde oder pH-Wert verändernde Substanz verwendet, so sollte der Reaktant eine Säure oder Lauge und der Indikator ein pH-Indikator sein. Wird in Schritt D eine redoxaktive Substanz verwendet, so ist der Reaktant vorzugsweise ein Reduktionsmittel oder ein Oxidationsmittel und der Indikator ein geeigneter Redoxindikator.
Wird eine härtebildende oder komplexierende Substanz verwendet, so ist der Reaktant vorzugsweise ein Chelatbildner und der Indikator ein geeigneter ein Metallochromindikator.
Beispiele für Verbindungen, die den pH-Wert des Wassers verändern sind Säuren oder Laugen, wobei Salzsäure bevorzugt ist Geeignete Substanzen mit Pufferwirkung zur Verwendung in Schritt D sind Alkali- oder Erdalkali-, -oxide, -carbonate, -hydrogencarbonate, insbesondere NaHCO₃, KHCO₃.
Als redoxaktive, oxidierende Substanzen zur Verwendung in Schritt D können Alkali- und/oder Erdalkaliperoxide, wie 2NaCO₃·3(H₂O₂), 2KCO₃·3(H₃O₂), CaO₂, MgO₂, H₂O₂ Peressigsäure, Hypochlorid oder Nitrite genannt werden. Als redoxaktive, reduzierende Substanzen können u. a. Thiosulfate, Vitamin C, Oxalsäure etc. genannt werden. Als Verbindungen mit mit wasserhärtebildenden Eigenschaften zur Verwendung in Schritt D, die komplexiert werden können, können Erdkalimetallchloride, -sulfate, -carbonate und/oder -nitrate genannt werden, es können aber auch Zubereitungen wie sie im europäischen Patent 0 737 169 beschrieben sind Verwendung finden. Als Substanzen zur Senkung der messbaren Wasserhärte zur Verwendung in Schritt D kommen u. a. Chelatbildner in Betracht.
Neben der bereits genannten Indikatoren und Puffersystemen können beliebige weitere dem Fachmann bekannte Komponenten verwendet werden. Weitere Beispiele können der analytischen Literatur entnommen werden.
In Abhängigkeit von der Beschaffenheit des Wasser ist es auch möglich, als für den Verfahrensschritt D genannten Verbindungen M_D als Reaktanten in den Schritten B und einzusetzen und die Substanz M_D aus den aus Reaktanten genannten auszuwählen.
Um eine ausreichende Vermischung des Wassers aus dem Volumen V mit der zugegebenen Substanz und im Falle, dass die Substanz in fester Form zugesetzt wird, auch die Auflösung zu erreichen, kann das Wasser in dem Volumen bewegt, gerührt oder auf ähnliche Weise vermischt werden. Nach einem Zeitraum von einigen Minuten, üblicherweise 10 bis 20 Minuten, wird in Verfahrensschritt E1 Wasser, welches mit der Substanz gemäß Verfahrensschritt D versetzt wurde, zu einer definierten Menge M_E Reaktant und Indikator gegeben. Vorzugsweise werden in diesem Verfahrensschritt der gleiche Reaktant M_E und Indikator eingesetzt wie in Schritt B. Das Wasser wird, wie auch in Schritt B, in einer solchen Menge zugesetzt, bis der Indikator einen Farbwechsel anzeigt. Anschließend kann die in Schritt E zugegebene Menge Wasser V_E bestimmt werden.
In der zweiten Verfahrenvariante wird in Verfahrensschritt E2 eine definierte Menge Wasser V_E2 vorgelegt, Indikator wird zugegeben und eine Menge Reaktant M_F2 wird zugegeben, bis der Umschlagspunkt des Indikators erreicht ist. Anschließend kann die Menge M_F2 ermittelt werden.
Das Bestimmen der Wassermengen V_C1 und V_E1 bzw. der Mengen an Reaktant M_C2 bzw. M_E2 in den Verfahrensschritten C und E kann in sich bekannter Weise durch einfache Volumenbestimmung bzw. Mengenbestimmung erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Zugabe von Wasser in zwei getrennten Behältern, die vorzugsweise eine Skalierung aufweisen. Durch einen Vergleich der Füllhöhen in den Behältern und bilden der Differenz aus diesen Füllhöhen kann die Volumendifferenz zwischen den in den Verfahrensschritten C und E zugegebenen Mengen Wasser V_C und V_E bestimmt werden. Kann die Volumendifferenz D zwischen den Volumina V_C und V_E direkt aus der Skalierung der Gefäße abgelesen werden, ist es nicht erforderlich die einzelnen Werte für V_C und V_E separat zu bestimmen.
Die Volumenbestimmung der in C und F zugegebenen Wassermenge kann in an sich bekannter Weise in üblichen Messbehältern erfolgen. Vorzugsweise werden die Säure und der Indikator in den Schritten B und E in einem Volumen vorgelegt, welches eine Skalierung aufweist, so dass die Differenz in den Skalenteilen die Differenz in dem Wasservolumen D wiedergibt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Volumen S dazu geeignet, auch des Wasser aus dem Volumen V zu entnehmen. Geeignete Vorrichtungen hierfür sind handelsübliche Pipetten, Spritzen oder Kolben. Es können auch beliebige andere Behälter eingesetzt werden, die eine Volumenbestimmung ermöglichen. Der Reaktant und der Indikator können im Gefäß S vorgelegt werden. Als günstig hat sich die Vorlage in pulverisierter Form oder als Tablette erwiesen.
Im letzten Verfahrensschritt F erfolgt die Ermittlung des Volumens V aus der Differenz D dem pH-Wert des Wassers, der Redoxaktivität und/oder Wasserhärte bzw. komplexierenden Eigenschaften am Umschlagspunkt und der Menge der in Schritt D zugegebenen Substanz. Die Berechnung des Volumens V aus den oben genannten variablen und konstanten Meßgrößen kann in an sich bekannter Weise durch dem Fachmann bekannte Formeln erfolgen. Um dem Verbraucher die Volumenbestimmung zu erleichtern, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Abhängigkeit zwischen dem Volumen V und der Differenz D des in den Schritten C und F zugesetzten Wassers grafisch darzustellen, so dass der Verbraucher aus der Differenz D unmittelbar auf das Volumen V des Hohlkörpers bzw. Gartengewässers schließen kann.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kit zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens zur Bestimmung des Volumens V von offenen und geschlossenen Hohlkörpern sowie Gartengewässern und Erdgruben, das folgende Komponenten umfasst:

a) eine definierte Menge eines Reaktanten,
b) Indikator,
c) mindestens 1 Gefäß für die Aufnahme von Reaktant und Indikator sowie Wasser aus dem Volumen V.
d) eine definierte Menge einer Substanz, die puffernde, redoxaktive und/oder wasserhärtebildende oder komplexierdende Eigenschaften aufweist.

Dieses erfindungsgemäße Kit ermöglicht es auch einem Laien, auf einfache und unkomplizierte Weise das Volumen V von z. B. Gartengewässern zu bestimmen. Das Kit enthält mindestens ein Gefäß für die Aufnahme Von Reaktant und Indikator sowie für das zu entnehmende Wasser aus dem Volumen V. Nachdem das Wasser in einem ersten Durchgang entnommen und dem Reaktanten und dem Indikator in einer Menge zugesetzt wurde, bis der Umschlagspunkt des Indikators erreicht war, wird das Volumen bzw. die Füllhöhe des zugegebenen Wassers bestimmt Nachdem die definierte Menge einer puffernden, redoxaktiven und/oder wasserhärtebildende oder -komplexierende Substanz zu dem Volumen V gegeben wurde, wird in einem zweiten Schritt Wasser aus dem Volumen V zur weiteren definierten Menge Reaktant und einem Indikator gegeben und die zugegebene Menge Wasser bestimmt. Aus der Differenz D der jeweils zugegebenen Wassermenge wird das Volumen V bestimmt Um dem Laien die Bestimmung des Volumens V aus den erhaltenen Daten zu erleichtern, ist dem Kit eine grafische Darstellung beigefügt, aus der ausgehend von der Differenz D das Volumen V unmittelbar ermittelt werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung enthält das erfindungsgemäße Kit mindestens zwei Gefälle, in das der Reaktant und der Indikator gefällt werden können bzw. die bereits damit gefüllt sind. Vorzugsweise weisen diese Gefäße eine Skalierung auf. In diese beiden Gefäße werden Jeweils vor und nach Zugabe der puffernden, redoxaktiven und/oder wasserhärtenden Substanz entsprechende Mengen Wasser zugegeben, bis der Indikator einen Farbwechsel anzeigt.
Weist des Wasser in dem Reservoir, dessen Volumen bestimmt werden soll nur eine sehr geringe Wasserhärte oder Pufferkapazität auf, besteht die Gefahr, dass die zuzugebende Wassermenge V_C zu groß für eine praktische Handhabung ist. In diesem Fall hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn dem Volumen vor dem Schritt C ein Puffer oder Härtebildner zugesetzt wird. Umgekehrt kann bei Wasser mit einem hohen Härte- oder Pufferungsgrad die zuzugebenden Wassermenge V_C sehr gering sein, sodass die Bestimmung fehlerbehaftet ist. In einem solchen Fall hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn dem Volumen vor dem Schritt C ein Komplexbildner bzw. eine Säure zugesetzt wird.
In der Regel ist die Wasserhärte/Karbonathärte bekannt. Sollte diese nicht bekannt sein, kann der erfindungsgemäße Kit einen Test zur Bestimmung der Wasserhärte enthalten.
Für diese Fälle kann das Kit von vorneherein mit 2 Substanzen M_E ausgestattet werden, die sich ihrerseits zu Reaktanten ergänzen würden.
Ist die eine Substanz ein Puffer oder eine Base, so ist die ergänzende Substanz im Kit eine Säure, bzw. umgekehrt
Ist die Substanz ein Oxidationsmittel, so ist die ergänzende Substanz im Kit ein Reduktionsmittel, bzw. umgekehrt.
Ist die Substanz ein Härtebildner, so ist die ergänzende Substanz im Kit ein Komplexbildner, bzw. umgekehrt.
Werden Substanz und ergänzende Substanz in äquimolaren Mengen verwendet, so heben sich die jeweiligen Wirkungen auf die Wasserchemie entsprechend auf.
Des erfindungsgemäße Verfahren bzw. das erfindungsgemäße Kit hat den Vorteil, dass es neben der Bestimmung des Volumens V des Hohlkörpers bzw. Gewässers auch dazu verwendet werden kann, die Wasserqualität, beispielsweise die Carbonathärte (Pufferungskapazität) des Wassers zu bestimmen. Aus den ermittelten Daten kann über eine einfache Gleichung die Carbonathärte errechnet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist dem erfindungsgemäßen Kit in der grafischen Darstellung zur Ermittlung des Volumens V eine weitere Darstellung zur Bestimmung der Carbonathärte beigefügt
Beispiel:
In zwei Reagenzgläsern V = 20 ml werden 4,1 mg Natriumhydrogensulfat und ein pH-Indikator mit einem Umschlagspunkt (Ks-Wert) von 4,3 (Bromkresolgrün + Alizarinrot S) vorgelegt. Aus einem Gartenteich wird eine Wasserprobe entnommen und das 1. Reagenzglas wird damit langsam aufgefüllt, bis ein Farbumschlag von Gelb nach Blau auftritt. Die Füllhöhe im Versuch betrug 15 cm. In den Gartenteich werden 84 g Natriumhydrogencarbonat (vorher gelöst) gut verteilt. Mach 15 Minuten Wartezeit für eine gute Vermischung wird eine zweite Wasserprobe entnommen und das zweite Reagenzglas wird damit aufgefüllt, bis der Farbumschlag eintritt. Die Füllhöhe betrug im Experiment 10 cm.
4,14 mg Natriumhydrogensulfat neutralisieren die Alkalinität von 15 ml Wasser mit einer Carbonathärte von 2 mmol HCO3/l.
Die Zugabe von einer ”Packung” NaHCO3 (84 g (1 MOL)) zum Teich erhöht die Alkalinität entsprechend dem vorhandenen Wasservolumen. Bei einem Wasservolumen von 1 m³ wird die Alkalinität um 1 mmol/l erhöht; die vorgelegte Säuremenge wird bei Wasserzugabe nun ausreichend sein, um 10 ml Wasser zu neutralisieren. Der Versuchtsteich hatte eine Große von 1 m³.
Hätte der Teich eine andere Ausgangsalkalinität gehabt, so Ware die Differenz zwischen beiden Karbonathärten dennoch umgekehrt proportional des Teichvolumens, Durch den Vergleich müssen keine absoluten Messwerte ermittelt, werden; allein das Volumen V_c und die Volumendifferenz V_c zu V_E sind signifikant für die Bestimmung der Teichgröße.
Sollen große und kleine Wassermengen mit diesem Verfahren bestimmt werden, so muss die Zahl an eingesetzten Packungen variiert werden. Daraus ergibt sich ein direkt proportionaler Faktor für die Errechnung der Teichgröße.
Die Reagenzgläser werden mit der Säure und dem Indikator in stets gleicher Konzentration vorher gefertigt. (Es können auch Tabletten gefertigt werden). Für unser Beispiel haben wir eine Losung von Natriumhydrogensulfat und Indikator volumetrisch in die Reagenzgläser gegeben und diese Lösung im Trockenschrank eingedampft.
Berechnungsvorschrift:

M(NaHSO₄·H₂O) = 138,07 g/mol
M(NaHCO₃) = 84 g/mol
Vorlagegefäß Nennvolumen 20 ml; Höhe 20 cm, 1 cm/ml.
Einwaage Säure m(NaHSO₄·H₂O) = 4,14 mg
Indikator: Mischindikator aus Bromkresolgrün und Alizarinrot S.

Aus einer Stammlösung, die 41,4 g NaHSO₄·N₂O und 50 ml Mischindikator je Liter enthielt, wurde in jedes Vorlagegefäß 0,1 ml dosiert und zur Trockene eingeengt.
Die vorgelegte Säuremenge wird durch die im Wasser vorhandene Pufferkapazität verbraucht, der Äquivalenzpunkt ist durch den Farbumschlag von Gelb (sauer) nach Blau (pH = 4,3) zu erkennen.
Durch die Zugabe des Natriumhydrogencarbonates zum Reservoir V, wird dort die Hydrogencarbonatkonzentration erhöht.
Die im 2. Gefäß vorgelegte Menge an Säure wird also früher verbraucht sein. Des Volumen an Wasser Füllhöhe wird also geringer.
Die Karbonathärte des Wassers ist umgekehrt proportional der Füllhöhe bzw. des Volumens im Messgefäß: Die Zunahme an Karbonathärte ist sinkt mit steigender Größe des Wasserreservoirs. Es gelten die einfachen Zusammenhänge: KH₀[mmol/l] = 0,03 μmol / V₁[ml] KH₁[mmol/l] = 0,03 μmol / V₂[ml]
Am Messgefäß oder auf einer beiliegenden Skala ist die Karbonathärte und nicht die Füllhöhe anzubringen, damit die Auswertung für Laien einfach möglich ist.
Soll die Volumenbestimmung mittels Härteerhöhung, Erhöhung des Redoxvermögens o. a ermittelt werden, gilt die gleiche Berechnungsvorschrift, es sind die Größen zu ersetzen.

V₁: = Verbrauch bei 1. Messung [ml]
V₂: = Verbrauch bei 2. Messung [ml]
n: = vorgelegte Säuremenge in μmol/L
n_d: = eingebrachte Menge Bicarbonat in mol/L
V_r: = zubestimmendes Volumen [m³]
KH: = Karbonathärte in mmol/L

KH₁ = n / V₁; V₁ = n / KH₁

KN₂ = n / V₂; V₂ = n / KH₂

KH₂ = KH₁ + ΔKH

Claims

Verfahren zur Volumenbestimmung von offenen und geschlossenen Hohlkörpern, Gruben sowie Gartengewässern (V), welches die Schritte umfasst A1. falls erforderlich Füllen von V mit Wasser B1. Vorlegen einer definierten Menge M_B Reaktant und eines Indikators mit einem definierten Umschlagspunkt, C1. Zugabe von Wasser aus V zu Reaktant und Indikator aus Schritt B1 in einer Menge bis der Indikator einen Farbwechsel anzeigt, und Bestimmen der zugegebenen Menge Wasser V_c, D1. Zugabe einer definierten Menge einer Substanz MD zum Volumen V, die Eigenschaften des Wassers verändert, E1. Zugabe von Wasser aus Schritt D1 zu einer definierten Menge M_E Reaktant und pH-Indikator mit einem definierten Umschlagspunkt bis der pH-Indikator einen Farbwechsel anzeigt, und Bestimmen der zugegebenen Menge Wasser V_E, F1. Bestimmen der Differenz D aus den in C1 und E1 zugegebenen Mengen Wasser, G1. Ermitteln des Volumens V aus der Differenz D, sowie aus mindestens einer der Messgrößen pH-Wert, Härte und/oder Redoxpotential des Wassers am Umschlagspunkt des Indikators und der Menge der in Schritt D1 zugegebenen Substanz MD.
Verfahren zur Volumenbestimmung von offenen und geschlossenen Hohlkörpern, Gruben sowie Gartengewässern (V), welches die Schritte umfasst A2. falls erforderlich Füllen von V mit Wasser B2. Vorlegen einer definierten Menge Wasser V_B2 aus V C2. Zugabe eines Recktanten M_C2 und eines Indikators mit einem definierten Umschlagspunkt zum Wasser aus Schritt B2 bis der Indikator einen Farbwechsel anzeigt, und Bestimmen der zugegebenen Menge Reaktant M_C2, D2. Zugabe einer definierten Menge einer Substanz MD zum Volumen V, die Eigenschaften des Wassers verändert, E2. Zugabe von Reaktant M_E2 und pH-Indikator mit einem definierten Umschlagspunkt zu einer definierten Menge Wasser aus Schritt D2 bis der Indikator einen Farbwechsel anzeigt, und Bestimmen der zugegebenen Menge Reaktant M_E2, F2. Bestimmen der Differenz D aus den in C2 und E2 zugegebenen Mengen Reaktant, G2. Ermitteln des Volumens V aus der Differenz D, sowie aus mindestens einer der Messgrößen; pH-Wert, Harte und/oder Redoxpotential des Wassers am Umschlagspunkt des Indikators und der Menge der in Schritt D2 zugegebenen Substanz M_D.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen V ein natürliches oder künstliches Gewässer ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktant oder die Substanz ausgewählt ist aus Säuren, Basen, Reduktionsmittel, Oxidationsmittel, Puffer, Komplexbildner.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Säure ausgewählt ist aus anorganischen oder organischen Säuren mit einem KS-Wert kleiner als 6,5.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Säure ausgewählt ist aus Salzsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure, Essigsäure, Alkalihydrogensulfaten, organischen Säuren wie Essigsäure, Zitronensäure, Weinsäure, Oxalsäure.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Indikator ausgewählt ist aus pH-Indikatoren, Redoxindikatoren oder Metallochromindikatoren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt D1/D2 zu V zugegebene Substanz M_D den pH-Wert des Wassers ändert oder puffernde, redoxaktive und/oder wasserhärtebildende bzw. -komplexierende Eigenschaften aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz MD puffernde Eigenschaften aufweist und ausgewählt ist aus Alkali- oder Erdalkali-, -oxiden, -carbonaten, -hydrogencarbonaten, insbesondere NaHCO₃, KHCO₃, oder Säuren oder Laugen, insbesondere Salzsäure, Schwefelsäure, Hydrogensulfate, Essigsäure.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz MD mit redoxaktiven Eigenschaften ausgewählt ist aus Alkali- und/oder Erdalkaliperoxiden, wie 2NaCO₃·3(H₂O₂), 2KCO₃·3(H₂O₂), CaO₂, MgO₂, oder Peroxoverbindungen oder Peressigsäure, H₂O₂, Hypochloride, Ozon, Chlor oder Nitrit.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanz MD mit wasserhärtebildenden oder -senkenden Eigenschaften ausgewählt ist aus Erdkalimetallchloriden, -sulfaten, -carbonaten und/oder -nitraten, aus einer Zusammensetzung aus CaCl₂, CaCO₃ und Alkali₂CO₃ besteht, aus komplexierenden Stoffen, wie Chelatbildnern.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem vor dem Schritt C1 eine der Substanz komplementäre Substanz (z. B. der Reaktant) in äquimolarer Masse zugesetzt wird, so dass der Messbereich erweitert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Reaktant und Indikator in den Schritten B1/B2 und E1/E2 identische Substanzen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Reaktant und Indikator in den Schritten B1/B2 und E1/E2 in einem Volumen S mit Skalierung vorgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen S dazu geeignet ist, Wasser aus dem Volumen V zu entnehmen.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen S in Form einer Pipette, Spritze, Kolben, Reagenzglas ausgestaltet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz D aus einem Graphen oder einer Tabelle abgelesen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, das die Auswertegleichung die allgemeine Form:
hat, wobei V₁ = Verbrauch von V_C bzw. M_C2 bei 1. Messung [ml] V₂ = Verbrauch von V_E bzw. M_E2 bei 2. Messung [ml] n = vorgelegte Säuremenge in μmol/L n_d = eingebrachte Menge Bicarbonat in mol/L V_T = zu bestimmendes Volumen [m³] KH = Karbonathärte in mmol/L.
Kit zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Komponenten umfasst: a) eine definierte Menge eines Reaktanten, b) Indikator, c) mindestens 1 Gefäß für die Aufnahme von Reaktant und Indikator sowie Wasser aus dem Volumen V, d) eine definierte Menge einer Substanz, die Eigenschaften des Wassers verändert, e) eine graphische Darstellung oder Tabelle, mit der aus der Differenz D das Volumen abgelesen werden kann.
Kit nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass es 2 Gefäße enthält, die mit Reaktant und Indikator gefüllt sind.
Kit nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktanten M_B und M_E in flüssiger Form und die Substanz M_D in fester Form oder die Reaktanten M_B und M_E in fester Form und die Substanz MD in flüssiger Form vorliegen.
Kit nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Gefäße eine Skalierung aufweisen.
Kit nach Anspruch 19, das neben der Substanz Md eine zusätzliche Substanz beinhaltet, wobei, wenn die Substanz ein Bicarbonat ist, die zusätzliche Substanz eine Säure ist.