Die Standardmethoden zur Bestimmung von Nitrat in Wasserproben bestehen entweder darin, die Probe zur Trockene einzudampfen und den Rückstand in konz. H2SO4 mit einem Reagenz wie Salicylat, Chromotropsäure, Xylenol, Brucin etc. zu einem stark gefärbten, nitrierten Produkt umzusetzen[3], oder das Nitrat in einer sogenannten Reduktorsäule mit aktiviertem Cadmium-Granulat zu Nitrit zu reduzieren, das mittels Griess-Reagenz bestimmt werden kann. Beide Methoden sind durchaus empfindlich aber relativ aufwändig in der Probenvorbereitung. In der Literatur[1] findet sich jedoch eine vereinfachte Reduktions-Methode, bei der das Cadmium direkt in Situ an Zink als Cadmium-Schwamm abgeschieden wird. Mit kleinen Anpassungen ergibt sich damit eine einfache und robuste Methode die für die in Wasserproben üblichen Konzentrationen, z.B. im Trinkwasser, hervorragend funktioniert.
Geräte:
Messkolben, Pipetten, Reagenzgläser, Gummistopfen, Spektralphotometer
Chemikalien:
Kaliumnitrat
Ammoniumchlorid
Kaliumchlorid
Cadmiumchlorid
Salzsäure
Phosphorsäure 85%
Zink-Pulver
N-(1-Naphtyl)ethylendiamin-dihydrochlorid
Sulfanilamid
Durchführung:
Ansetzen des Standards für die Kalibration und der Reagenzlösungen:
In einem 100 ml Messkolben werden 163,0 mg Kaliumnitrat, das zuvor einige Tage im Exsikkator gut getrocknet worden war, eingewogen und auf 100 ml aufgefüllt. Das ergibt eine Stammlösung mit einem Gehalt von 1000 mg Nitrat/l .
Durch entsprechende Verdünnungen in 25 ml Messkolben werden daraus die 5 Standards für die Kalibration mit Gehalten von (nominell) 2, 5, 7, 10 und 15 mg Nitrat/l hergestellt. Die entsprechenden Volumina wurden dazu grob mit einer Messpipette in tarierte Messkolben pipettiert und anhand der genauen Einwaage die exakte Konzentration ermittelt.
Weiter werden folgende Reagenzlösungen angesetzt:
Ammoniumchloridlösung 30 % (w/v)
Cadmiumchloridlösung 3 % (w/v)
Puffer pH 1,8: auflösen von 0,746 g Kaliumchlorid in 34 ml einer genau 0,1 M Salzsäure und auffüllen auf 200 ml
Nitritreagenz: man verdünnt 2,5 ml Phosphorsäure mit ca. 15 ml Wasser und löst darin 1 g Sulfanilamid und 50 mg N(1-Naphtyl-)ethylendiamin-dihydrochlorid. Zuletzt wird mit Wasser auf 25,0 ml aufgefüllt
(Alternativ dazu[2] können Sulfanilamid und N(1-Naphtyl-)ethylendiamin-dihydrochlorid auch einfach in einer 2 M HCl aufgelöst werden)
Durchführung der Bestimmung:
in 8 Reagenzgläser werden der Reihe nach als Leerwert 20 ml dest. Wasser, je 20 ml der 5 Standards und zwei Wasserproben (Leitungswasser) mit der Vollpipette einpipettiert. Anschließend werden - in dieser Reihenfolge - zugegeben:
1 ml der Ammoniumchloridlösung
1 ml des Puffer pH 1,8
1 ml der Cadmiumchloridlösung
ca. 100 mg Zink-Pulver (ein kleiner Spatel voll)
Die Reagenzgläser werden mit einem Gummistopfen verschlossen und während der nächsten 15-20 Minuten immer wieder durch Kippen gut durchmischt. Relativ rasch kann man erkennen, wie aus dem feinen Zinkpulver ein etwas flockiger Cadmium-Schwamm entsteht, der sich gut absetzt. Nach Ablauf der Reaktionszeit wird noch ca. 2 Minuten absetzen gelassen und dann mit der Vollpipette je 5 ml aus den Reagenzgläsern in 25 ml Messkolben pipettiert. Es wird bis ca. 20 ml mit dest. Wasser aufgefüllt, 1 ml Nitritreagenz zugegeben, bis zur Marke mit dest. Wasser aufgefüllt und gut umgeschüttelt.
Nach weiteren ca. 15-20 Minuten ist die Nitrit-Reaktion abgeschlossen und die Absorption wird am Photometer bei 540 nm gegen den Proben-Leerwert gemessen. Die Messung gegen Leerwert ist dabei wichtig, da auch diese Probe aufgrund des Blindwerts der Reagenzien eine merkliche Eigenfärbung aufweist. Nitrat ist ähnlich wie Chlorid eine relativ weit verbreitete Verunreinigung und die Methode ist durchaus empfindlich.
Vergleichende Prüfungen und Anpassungen des Verfahrens:
Die Literatur[1] arbeitet original mit einer Cadmiumchlorid-Lösung von nur 0,1 %. Tests haben gezeigt, dass diese geringe Konzentration weniger reproduzierbare Ergebnisse ergibt, da sich anscheinend zu wenig Cd-Schwamm bildet. Eine Zugabe von 1 ml einer 0,1% (w/v) Lösung würde nur 0,6 mg Cd einbringen - auch wenn der Effekt am Ende überwiegend katalytisch ist, macht das in Relation zu den 100 mg Zn keinen Sinn. Eine quantitative Zementation dürfte nicht erfolgen und vermutlich bleibt auf dem Weg viel freie Zn-Oberfläche die stören könnte. Ich habe die Menge daher entsprechend nach oben angepasst. Bei einer 3%igen Lösung können sich schon bis zu 18 mg Cd abscheiden, mit entsprechend besserer Wirksamkeit. Ebenfalls schlägt die Literatur[1] eine Reduktionsdauer von nur 5 Minuten vor. Eine Prüfung, bei der ich nach 2, 5, 10 und 20 Minuten Proben entnommen und mit Nitritreagenz versetzt habe, zeigte jedoch eindeutig, dass eine vollständige Umsetzung frühestens nach 10 Minuten erreicht ist:
- Zeitkurve Reduktion.png (20.1 KiB) 4316 mal betrachtet
Dementsprechend wurde eine Zeit von mindestens 15 Minuten eingehalten.
Das destillierte Wasser war jedenfalls Nitrit-frei, das Leitungswasser zeigte ein schwach positives Ergebnis:
Nitrite können sich im Leitungswasser leicht durch Reduktion der immer vorhandenen Nitrate an metallischen Oberflächen (Leitungen, Armaturen) bilden. Die Menge ist aber als so gering einzustufen, dass sie zum Gesamtergebnis jedenfalls weniger als 5 % beiträgt. Eine vorherige Entfernung des Nitrits, z.B. duch Amidoschwefelsäure, wäre mit Blick auf die nachfolgende gewünschte Bildung von Nitrit nicht zielführend. Ob unter den Bedingungen ein quantitativ additives Ergebnis erzielt würde und man so einen Wert einfach abziehen könnte, müsste noch untersucht werden - in diesem Fall wäre die Bestimmung beider Ionen in einem Gang (einmal mit und einmal ohne Reduktion) besonders komfortabel.
Ebenso konnte kein positiver Effekt durch Zugabe von Metaphosphat - wie in der Literatur[1] beschrieben - erzielt werden. Im Gegenteil - das erschwerte nur das Einstellen des gewünschten pH-Werts für die Reduktion (soll zwischen 2 und 5 liegen). Da es nur der Maskierung größerer Mengen an Fe+3 dienen sollte, wurde das Reagenz daher ersatzlos weggelassen.
Weiter wurde in der Originalliteratur[1] p-Aminoacetophenon statt Sulfanilsäure im Nitritreagenz benutzt - auch darin ist kein Vorteil gegenüber der üblichen Zusammensetzung des modifizierten Griess-Reagenz zu erkennen.
Zur Prüfung des Absorptionsmaximums wurde aus der 15 mg/l-Probe ein Spektrum aufgenommen und 540 nm als optimale Wellenlänge zur Messung des Nitrit-Reagenz bestätigt:
Auswertung:
Die E'xtinktionswerte der 5 Standards wurden mithilfe von Excel gegen die errechneten Konzentrationen aufgetragen und daraus eine Regressionsgerade (mit Nulldurchgang) ermittelt:
Mit dem größten Wert von 15 mg Nitrat/l wurde eine Extinktion von knapp 1 erreicht, sodass die Rahmenbedingungen zur Einhaltung des Lambert-Beer'schen Gesetzes gegeben waren. Der Korrelationskoeffizient von 0,9992 bestätigt die gute Linearität der Kalibrationskurve.
Die beiden Leitungswasser-Proben zeigten eine Absorption von 0,505 bzw. 0,524 - entsprechend einer Nitrat-Konzentration von 8,04 bzw. 8,34 mg/l - Mittelwert somit 8,2 +/- 0,15 mg NO3-/l. Zu beachten ist dabei, dass das Wasser auch einen geringen Nitrit-Gehalt aufwies, der aber hier keinen wesentlichen Einfluss haben sollte (siehe oben unter "vergleichende Prüfungen"). Der gemessene Nitratwert ist in guter Übereinstimmung mit der Angabe des Wasserversorgers - der hatte bei seiner letzten Messung Ende November einen Wert von 7,5 mg/l ermittelt. Ein leichter Anstieg im Frühling aufgrund der stärkeren Regenfälle und der Auswaschung von Düngemitteln ins Grundwasser ist durchaus plausibel.
Mit dem Verfahren wie hier beschrieben ist eine hinreichend genaue Quantifizierung bis unter 1 mg/l (ppm) Nitrat problemlos möglich, bei durchgängigem Einsatz reinster Chemikalien und entsprechend geringerem Reagenzien-Blindwert vermutlich auch durchaus bis 0,1 mg/l (ppm). Der dynamische Bereich des Verfahrens kann noch nach unten erweitert werden: indem man einfach 20 statt nur 5 ml des Ansatzes zur Umsetzung mit dem Nitrit-Reagenz in den Messkolben überführt, erreicht man ohne weiteres bereits einen Faktor 4 und ist somit schon in der Größenordnung von 10 µg/l (ppb) Nitrat! Auch soll die getrennte Zugabe der sauren Lösungen des Sulfanilamids und N-(1-Naphtyl)ethylendiamin die Empfindlichkeit gegenüber einem gemischten Reagenz verbessern, da Nitrit auch mit dem Stickstoff des Amins reagieren kann und so der Diazotierung entzogen wird[2]. Weitere Steigerungen der Empfindlichkeit sind z.B. durch Extraktion des Farbstoffs in n-Butanol möglich.
Entsorgung:
Reste kommen zu den schwermetallhältigen Abfällen.
Erklärung:
Aus dem Cadmiumchlorid scheidet sich am Zinkpulver durch Zementation ein fein verteilter Cadmium-Schwamm ab:
Cd2+ + Zn -> Cd + Zn2+
Cadmium reduziert Nitrat spezifisch zu Nitrit:
Cd + NO3- + H2O -> Cd2+ + NO2- + 2 OH-
Das Redoxpotenzial von Cd liegt dabei im schwach sauren Bereich so optimal, dass es zu keiner Über-Reduktion z.B. zu Ammoniak kommt.
Nitrit diazotiert in saurer Lösung das Sulfanilamid das mit N-(1-Naphtyl)ethylendiamin zu einem roten Azofarbstoff kuppelt. Eine genauere Beschreibung hat hier bereits lemmi geliefert.
Bilder:
Literatur:
[1] Int J Environ Anal Chem, (1983), 15:3, p. 213-219 http://doi.org/10.1080/03067318308071918
[2] K. Bendschneider, RJ Robinson: "A New Spectrophotometric Method for the Determination of Nitrite in Sea Water" (University Of Washington, Technical Report, 1952) http://hdl.handle.net/1773/15938
[3] Soil Science Society of America Journal (1998) 62, p. 1108-1115 https://doi.org/10.2136/sssaj1998.03615995006200040036x
Bei der Reduktorsäule hingegen macht sogar die Durchflussgeschwindigkeit einen großen Unterschied (3 - 20% je nach pH...!) und das nicht mal linear! Zu schnell reduziert die Ausbeute genauso wie zu langsam. Oder bei gegebener Durchflussgeschwindigkeit der pH - alleine 0,3 pH Einheiten machten schon 5 - 20% Unterschied (je nach Durchflussgeschwindigkeit 
). Salzgehalt (NaCl) macht 5 - 20% Unterschied (je nach Durchflussgeschwindigkeit UND pH 
).
