🫧 Gelöster Sauerstoff — Winkler-Methode (jodometrisch)
Klassische jodometrische Methode (Winkler) zur Bestimmung des gelösten Sauerstoffs im Wasser. Basiert auf der Oxidation von Mn(II) zu Mn(IV) durch Sauerstoff, Jodfreisetzung und Titration mit Natriumthiosulfat. Referenzmethode seit 1888.
Übersicht
Gelöster Sauerstoff (DO — Dissolved Oxygen) ist einer der wichtigsten Wasserqualitätsparameter, der die Lebensmöglichkeiten aerober Organismen (Fische, wirbellose Tiere, aerobe Bakterien) bestimmt. Die DO-Sättigungskonzentration im Wasser beträgt ~8,5 mg/L O₂ bei 20°C und Atmosphärendruck. Ein Abfall des DO unter 4 mg/L verursacht Sauerstoffstress, unter 2 mg/L — anaerobe Bedingungen (Fischsterben, Fäulnisprozesse).
Die Winkler-Methode, 1888 vom ungarischen Chemiker Lajos Winkler entwickelt, ist die älteste und genaueste chemische Methode zur DO-Bestimmung. Sie beruht auf der Bindung von Sauerstoff durch Mn²⁺-Ionen im alkalischen Medium und der anschließenden Freisetzung von Jod (I₂) im sauren Medium in einer dem Sauerstoffgehalt stöchiometrisch äquivalenten Menge. Das freigesetzte Jod wird mit Natriumthiosulfat (Na₂S₂O₃) titriert, wobei Stärke als Indikator dient (Umschlag von blau nach farblos).
Die Azid-Modifikation (mit NaN₃) eliminiert die Interferenz von Nitriten (NO₂⁻), die häufig in biologisch gereinigtem Abwasser und manchen Oberflächengewässern vorkommen. Dies ist die am häufigsten verwendete Variante der Winkler-Methode.
Trotz der weit verbreiteten Verwendung von Sauerstoffsonden (elektrochemisch und optisch) bleibt die Winkler-Methode die Referenzmethode zur Kalibrierung von Sonden und zur Klärung analytischer Streitfälle. Sie ist für die DO₀- und DO₅-Bestimmung im BSB5-Test erforderlich.
Prinzip der Methode
Im stark alkalischen Medium oxidiert der im Wasser gelöste Sauerstoff Mangan(II)-hydroxid Mn(OH)₂ (weißer Niederschlag) zu Manganat(IV) MnO(OH)₂ (brauner Niederschlag):
2 Mn(OH)₂ + O₂ → 2 MnO(OH)₂
Nach Ansäuerung mit Schwefelsäure oxidieren Mn⁴⁺-Ionen Kaliumjodid (KI) zu freiem Jod:
MnO(OH)₂ + 2 I⁻ + 4 H⁺ → Mn²⁺ + I₂ + 3 H₂O
Das freigesetzte Jod (I₂) wird mit Natriumthiosulfat titriert:
I₂ + 2 Na₂S₂O₃ → 2 NaI + Na₂S₄O₆
Endpunkt: Verschwinden der Blaufärbung von Stärke mit Jod. Bei der Azid-Modifikation wird Natriumazid (NaN₃) zugesetzt, der Nitrite zersetzt (NO₂⁻ + N₃⁻ → N₂ + NO + N₂O) und deren Interferenz bei der Mn²⁺-Oxidation eliminiert.
Anwendungen
- DO-Bestimmung im BSB5-Test (Tag 0 und Tag 5)
- Kalibrierung und Überprüfung von Sauerstoffsonden (elektrochemisch und optisch)
- Überwachung der Oberflächenwasserqualität — Sauerstoffzustand von Flüssen und Seen
- Trinkwasseruntersuchung — Kontrolle der Belüftung
- Kontrolle von Abwasserbehandlungsprozessen — Belüftung des Belebtschlamms
- Limnologische Untersuchungen — Sauerstoffprofil eines Sees
- Bewertung der Selbstreinigungsfähigkeit von Flüssen
- Aquakultur — Sauerstoffkontrolle in der Fischzucht
Schlüsselparameter
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Messbereich | 0,2–20 mg O₂/L |
| Bestimmungsgrenze (LOQ) | 0,2 mg O₂/L |
| Genauigkeit | ±0,05 mg O₂/L (bei sorgfältiger Arbeit) |
| DO-Sättigung (20°C, 1 atm) | ~8,84 mg O₂/L (Reinstwasser) |
| Winkler-Flaschenvolumen | 250–300 mL |
| Interferenzen | NO₂⁻ (durch NaN₃ eliminiert), Fe²⁺/Fe³⁺, freies Cl₂, S²⁻ |
Norm
- Normnummer
- PN-EN ISO 5813:2006
- Titel (PL)
- Jakość wody — Oznaczanie tlenu rozpuszczonego — Metoda jodometryczna
- Title (EN)
- Water quality — Determination of dissolved oxygen — Iodometric method
Schritt-für-Schritt-Verfahren
1. Probenahme
Winkler-Flasche (300 mL) mit Wasserprobe füllen — Flasche untertauchen oder Silikonschlauch verwenden. Nicht belüften! Mit dem 3-fachen Volumen spülen. Luftblasenfrei verschließen.
2. Fixierung — MnSO₄
2 mL MnSO₄-Lösung mit Pipette unterhalb der Wasseroberfläche zugeben. Pipette herausziehen.
3. Fixierung — alkalisch-jodidisches Reagenz
2 mL alkalisch-jodidisches Reagenz mit NaN₃ mit eingetauchter Pipette zugeben. Flasche mit Stopfen verschließen (ohne Luftblasen). Durch mehrfaches Umdrehen mischen. Es entsteht ein weißer (kein O₂) oder brauner (O₂ vorhanden) Niederschlag.
4. Niederschlagssedimentation
Flasche stehen lassen bis Niederschlag sedimentiert (min. 5 min). Erneut mischen und wieder sedimentieren lassen. Niederschlag sollte unter die Flaschenhälfte absinken.
5. Ansäuerung
2 mL konzentrierte H₂SO₄ zugeben. Verschließen und durch Umdrehen mischen bis zur vollständigen Auflösung des Niederschlags. Die Lösung wird gelbbraun (Jod).
6. Aliquot-Entnahme
203 mL abmessen (entspricht 200 mL der Originalprobe nach Abzug des Reagenzvolumens) in einen Erlenmeyerkolben.
7. Titration mit Thiosulfat
Mit Na₂S₂O₃ 0,025 M aus Bürette bis zur blassgelben Färbung titrieren. 1 mL Stärkelösung zugeben (Blaufärbung). Titration bis zum Verschwinden der Blaufärbung fortsetzen.
8. Volumenablesung
Verbrauchtes Volumen Na₂S₂O₃ mit Genauigkeit ±0,05 mL ablesen.
9. Berechnung
DO [mg O₂/L] = V(Na₂S₂O₃) × M(Na₂S₂O₃) × 8000 / V_Probe. Für Na₂S₂O₃ 0,025 M und 200 mL Probe: 1 mL Thiosulfat ≈ 1 mg O₂/L.
10. Überprüfung des Thiosulfat-Titers
Thiosulfat gegen K₂Cr₂O₇ 0,025 M + KI in H₂SO₄-Medium einstellen (Dunkelheit, 5 min). Wie Probe titrieren. Korrekturfaktor: f = V_theor/V_real.
11. Qualitätskontrolle
Gesättigtes deionisiertes Wasser (1 h bei 20°C belüftet) — DO ≈ 8,8 mg/L (±0,3). Duplikat: Differenz < 0,2 mg/L.
Erforderliche Geräte und Apparatur
| Gerät | Beispiel | Richtpreis |
|---|---|---|
| Winkler-Flaschen 250–300 mL | Glasflaschen mit Schliffstopfen und Wasserkragen, DURAN | 30–60 PLN/Stk. |
| Bürette 25 mL Klasse A | Glasbürette mit PTFE-Hahn, Teilung 0,05 mL | 150–400 PLN |
| Automatische Pipetten | Eppendorf Research Plus 1–5 mL, Brand Transferpette | 800–2 000 PLN |
| Erlenmeyerkolben 250 mL | Borosilikat DURAN, zum Titrieren | 15–30 PLN/Stk. |
| Magnetrührer | IKA C-MAG MS 4 (optional, zum Titrieren) | 1 500–4 000 PLN |
| Laborthermometer | Glasthermometer oder digital, Genauigkeit ±0,1°C | 50–500 PLN |
Reagenzien, Nährmedien und Verbrauchsmaterialien
| Reagenz | CAS | Details |
|---|---|---|
| Mangansulfat (MnSO₄·H₂O) | 10034-96-5 | Lösung 480 g/L MnSO₄·4H₂O in Wasser, alkalisches Reagenz |
| Alkalisch-jodidisches Reagenz mit Azid | — | NaOH 500 g + NaI 135 g + NaN₃ (CAS 26628-22-8) 10 g pro 1 L Wasser. ACHTUNG: NaN₃ stark toxisch! |
| Schwefelsäure (H₂SO₄) konzentriert | 7664-93-9 | Zum Ansäuern der Probe — Auflösung des Niederschlags und Freisetzung von I₂ |
| Natriumthiosulfat (Na₂S₂O₃) 0,025 M | 7772-98-7 | Eingestellte Lösung zur Titration, stabilisiert mit NaOH (0,4 g/L) |
| Lösliche Stärke (Indikator) | 9005-25-8 | 1%-Lösung in Wasser (aufkochen), Endpunktindikator (blau → farblos) |
| Kaliumdichromat (K₂Cr₂O₇) | 7778-50-9 | 0,025 M, zur Überprüfung des Thiosulfat-Titers |
| Kaliumjodid (KI) | 7681-11-0 | Zur Überprüfung des Thiosulfat-Titers, p.a., jodatfrei |
| Natriumazid (NaN₃) | 26628-22-8 | Eliminierung der Nitrit-Interferenz — STARK TOXISCH, tödlich bei Verschlucken |
Arbeitsschutz und Sicherheit
- Natriumazid (NaN₃) — STARK TOXISCH, tödlich bei Verschlucken (LD50 ~27 mg/kg), reagiert mit Säuren unter Freisetzung von giftigem HN₃!
- Konzentrierte Schwefelsäure — stark ätzend, schwere Verätzungen, vorsichtig zum Wasser zugeben
- NaOH-Lösung (alkalisches Reagenz) — ätzend, chemische Verätzungen von Haut und Augen
- Freigesetztes Jod — reizend, verfärbt Haut, Einatmen der Dämpfe vermeiden
- Kaliumdichromat — karzinogen (Cr⁶⁺), unter Abzug verwenden, Handschuhe
- Schutzbrille, Laborkittel und Nitrilhandschuhe bei JEDEM Schritt OBLIGATORISCH