Redox-Reaktionen mit Stickstoff
Stickstoff tritt in verschiedenen Oxidationzuständen auf: von +5 in Nitrat bis -3 in Ammonium-Verbindungen.1 Beim Übergang von N(5) bis hin zu N(-3) sind insgesamt 8 Elektronen beteiligt:
| (1) | NO3- ⇒ NO2- ⇒ N2(g) ⇒ NH4+ |
Die zugehörigen Reaktionen lauten:
| (2a) | NO3- + 2H+ + 2e- | = | NO2- + H2O | log K = 28.57 | ||
| (2b) | NO3- + 6H+ + 5e- | = | ½ N2 + 3H2O | log K = 103.54 | ||
| (2c) | NO3- + 10H+ + 8e- | = | NH4+ + 3H2O | log K = 119.077 |
Hier bezieht sich die Gleichgewichtskonstante K auf Standardbedingungen bei 25.
Redox-Nichtgleichgewicht – Programmeinstellungen
Da die 2a bis (2c) in der zugrunde liegenden thermodynamischen Datenbank (wateq4f) so vorgegeben sind, wird der Gleichgewichtszustand (Equilibrium) zwischen allen Redox-Spezies immer hergestellt bzw. berechnet. Klingt gut, ist es aber nicht.
Das Problem: In der Natur wird bei Redox-Reaktionen der Gleichgewichtszustand oftmals nicht erreicht, obwohl die Reaktion thermodynamisch möglich ist. Um dieses “Nichtgleichgewicht” korrekt nachzubilden, benötigte man kinetische Ansätze (die aber nicht zum Repertoire von aqion gehören).
Man kann aber auch langsame bzw. stark gehemmte Redox-Übergänge grob dadurch simulieren, indem man die entsprechenden Reaktionen von vornherein ausschließt. Diese Option steht in aqion zur Verfügung.2
Der rechte Screenshot zeigt das dazugehörige Dialogfeld (erreichbar über das Menü Einstellungen im Hauptfenster). Dies ist die Standardeinstellung, bei der alle Redox-Übergänge ausgeschaltet sind. Für die meisten Fälle ist es ein guter Ansatzpunkt.
[Genau genommen hängt die Redox-Einstellung vom konkreten Anwendungsfall ab. Leider gibt es dafür kein universell gültiges Rezept. Man kann aber durch Ändern dieser Einstellungen verschiedene Szenarien durchspielen, um so ein besseres Verständnis für die Problematik zu entwickeln.]
Man beachte. Die vom Nutzer gewählte Einstellung bleibt bis zum Programmende bestehen. Mit jedem Neustart kehrt das Programm dann zu der im oberen Screenshot gezeigten Voreinstellung zurück.
Anmerkungen
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Ein Überblick über alle in aqion verwendeten Redox-Elemente mit den zugehörigen Oxidationszahlen ist hier. ↩
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Die Idee zum Ein/Ausschalten von bestimmten Redox-Reaktionen innerhalb der thermodynamischen Datenbank stammt vom Autor des PhreeqC-Programms, D.L. Parkhurst, und ist hier nachzulesen: http://wwwbrr.cr.usgs.gov/projects/GWC_coupled/phreeqc/faq.html. ↩