„Wenn das jeder täte“…

Vorletzten Samstag ging ich zum Schwimmen ins nächste Hallenbad, da meine Schwimmbrille schon etwas älter ist und daher leicht beschlägt reinige ich sie normalerweise vor dem Schwimmen in der Dusche zusammen mit mir – das hält dann die Zeit durch, anders als bei Spucke, die mir nur etwa eine Viertelstunde schafft. Diesmal vergaß ich das und ich gab einen Klecks Duschgel auf eines der Gläser verrieb das auf beiden und wollte es gerade im Becken ausspülen, als eine Schwimmlehrerin (keine Angestellte) zu mir sagte „Das spülen sie aber in der Dusche aus“. Ich antwortete: „Die Menge kann man bei dem Volumen nicht mal chemisch nachweisen“ und bedauerte den Spruch sogleich, weil mir einfiel, welche Nachweisgrenzen die instrumentelle Analytik hat. Darauf kam dann der obige Blogtitel als Antwort. Ich fand einen Hahn und habe da die Brille ausgespült und gut war es, aber ich dachte mir das ist doch mal ein Thema für den Blog.

Zuerst mal zu meiner Vermutung der enormen Verdünnung. Da habe ich schon in den Anfangszeiten meines Blogs ein Beispiel gebracht, das ich aktualisiert erneut, verwende. Das Wasservolumen des Beckens ist nur schwer schätzbar, da die Tiefe unterschiedlich ist. In dem Bad beginnt es bei 3,5 m Tiefe, geht nach einigen Metern erst steil nach oben und nachdem es 1,5 m erreicht hat, flach weiter, bis am Schluss 0,8 m erreicht sind. Ich habe für die Rechnung eine mittlere Tiefe von 2 m genommen. Bekannt ist dagegen die Beckengröße: 12 x 25 m, das sind dann zusammen 600 m³ Wasser. Das ist eine ganze Menge.

Nehmen wir an, ein Irrer würde es fertigbringen, mit einem 10 l Kanister konzentrierter Säure – ich nehme mal Schwefelsäure als die stärkste anorganische Säure, ins Bad zu gelangen und ins Wasser zu schütten – und Schwefelsäure ist aggressiver als Duschgel – was würde passieren? Würden die Badegäste verätzt werden?

Nun es würde sich der pH-Wert ändern. Für eine starke Säure gilt folgende Formel:

pH = – log c H⁺

Für schwache Säuren müsste man anstatt der Konzentration c die Aktivität der Säure nehmen, aber Schwefelsäure dissoziiert zu nahezu 100 % in H⁺ und HSO₄^–. Selbst das HSO₄ gibt noch Wasserstoff ab, wenngleich nicht so viel wie bei der ersten Dissoziationsstufe.

Die Konzentration wird angegeben in Mol pro Liter. Dazu muss man zuerst wissen, wie viele Mole Schwefelsäure in 10 l stecken, es sind bei 98,3 % Säure, der maximal üblichen Konzentration rund 100 Mole. Bei der handelsüblichen 96 % Shwefelsäure knapp darunter. Die verteilen sich nun auf 600 m³ Wasser. 600 m³ sind 600.000 l, damit ist der pH-Wert berechenbar nach:

pH = – log (100/600.000)

pH = -3,78

Wenn man es ganz genau nimmt, müsste man noch die natürlicherweise vorhandenen H+ Ionen hinzunehmen, aber da deren Konzentration nur bei 10^-7 Mol/l liegt, kann man sie vernachlässigen.

Ein pH-Wert von 3,78 ist sauer, aber nicht extrem sauer. Es gibt Böden die haben diesen pH-Wert, zum Beispiel in Mooren und deren Erde wird gerne für Hautmasken genutzt, ist also nicht so sauer als das es der Haut schadet. Die Haut selbst hat ebenfalls einen sauren pH, der zwischen 4,7 und 5,7 liegt, oder anders ausgedrückt: Würde man 1 l Schwefelsäure in das Becken kippen, es wäre dann das Wasser so pH-neutral, wie uns die Kometikbranche ihre Reinigungsflüssigkeiten immer anpreist.

Doch die Haut gilt ja als Barriere gegenüber Umwelteinflüssen, sollte daher besonders robust sein und ist es auch. Aber wie sieht es aus, wenn man so säurehaltiges Wasser schluckt? Auch nicht besser – zahlreiche Getränke die wir schätzen haben einen niedrigen pH-Wert, der sowohl bei Obstsäften wie auch bei „künstlichen“ Getränken wie Limonade oder Cola bei pH 2,5 bis 3,5 liegt, also noch saurer – um auf den pH-Wert von Cola zu kommen, müsste man über 100 l der Säure ins Becken kippen.

Doch würde man diesen pH-Wert (selbst bei vollständiger Durchmischung) messen? Nein würde man nicht. Die Rechnung geht davon aus, das die H⁺ Ionen der Schwefelsäure nicht irgendwie mit dem Wasser reagieren. Normales Wasser enthält aber immer auch gelöste Salze. Von Bedeutung ist hier die Konzentration an Salzen der Kohlensäure, den Karbonaten. Kohlensäure ist eine schwache Säure und wenn es in einer Lösung zwei Säuren gibt dann verdrängt die starke die schwache Säure aus ihren Salzen. Es passiert folgendes:

Die Kohlensäure liegt als Hydrogenkarbonat-Ion vor, die H⁺ Ionen führen dazu, dass sich aus Hydrogencarbonat die Kohlensäure bildet:

H⁺ + HCO₃^– → H₂CO₃

Die Kohlensäure ist frei aber instabil und zerfällt leicht in ihre Bestandteile Kohlendioxid und Wasser (umgekehrt entsteht sie in kleiner Menge, wenn man Kohlendioxid in Wasser einbringt, z.B. bei Sodawasser)

H₂CO₃ → CO₂ + H₂O

Und das Kohlendioxid kann, als Gas das Wasser verlassen wodurch es aus dem Gleichgewicht entfernt wird. In der Summe wird so H+ verbraucht. Als Gegenion für das H+ verbleiben im Wasser die Anionen der Karbonate (Ca²⁺ und Mg²⁺), die sind aber nicht sauer. Druch die Carbonate wirkt das Wasser as Puffer.

Die Wasserhärte wird bei uns in Grad deutscher Härte angegeben pro Liter. Das muss man erst in Konzentrationen umrechnen. Noch besser ist Stoffmengen-Äquivalent, da die Erdalkaliionen zweiwertig sind. 1 Grad deutscher Härte entsprechen 0,357 mVal/l sprich Wasser mit 1 Grad deutscher Härte könnte 0,357/1000 Mole H+ abpuffern. Nun ergibt schon eine Überschlagsrechnung das 600.000 l * 0,357 / 1000 rund 214 Mole ergibt und damit mehr Mole als die rund 100 Mole, die H⁺ in der Säure sind. Wasser hat in Deutschland eine unterschiedliche Wasserhärte, bei uns liegt er bei 8,9, das bedeutet das in den 600 m³ Wasser so viel Hydrogenkarbonationen sind, das sie fast 200 l Schwefelsäure abpuffern könnte, also sich der pH-Wert kaum ändern würde. Was allerdings passieren würde: Calcium und Magnesiumionen bilden mit dem Anion der Schwefelsäure Salze, die Sulfate und die sind wesentlich weniger gut löslich als die Salze der Kohlensäure. Allerdings ist das Hauptprodukt – Calciumsulfat oder Gips – noch gut löslich, nämlich 2,4 g pro Liter. Die Wassermenge von 600.000 l könnte also 1.440 kg Gips aufnehmen. Das ist, selbst wenn man berücksichtigt, dass Gips mehr wiegt als Schwefelsäure, ein Vielfaches der Menge an Schwefelsäure. Zusammengefasst: Würde man 10 l Schwefelsäure in ein Schwimmbecken dieser Größe kippen, es würde fast nichts passieren, Gesundheitsgefahren gibt es keine.

Nach diesem langen Teil über die Auswirkungen von Säure nun der Schlenker zum Duschgel. Das besteht vor allem aus Tensiden. Ich bedauerte meinen Spruch vor allem deswegen, weil mir sofort die Nachweisgrenzen der Analytik einfielen. Als eines der empfindlichsten Verfahren gilt die Gaschromatografie gekoppelt an ein Massenspektrometer abgekürzt GC/MS. Schon zu meinen Studienzeiten konnte man von bestimmten Substanzen einen Fingerhut voll im Wasser des Bodensees nachweisen. Ein Fingerhut voll, das ist etwa ein Gramm, der Bodensee hat 48 km³ Wasser. Das entspricht einer Konzentration von 0,02 Picogramm pro Liter Wasser. Und in dem Bereich (absolut) liegt auch die Nachweisgrenze eines GC/MS. Demgegenüber ist die Konzentration von 1 ml Duschgel in 600 m³ Wasser riesig – etwa 1,6 Mikrogramm pro Liter. Allerdings wird man auch Tenside (mit Ausnahme der nichtionischen Tenside( nicht über ein GC/MS nachweisen. Üblich ist es, je nach Gruppe, sie zuerst in einen lipophilen Komplex zu überführen, diesen dann mit einem Lösungsmittel zu extrahieren und aus diesem dann wieder die Tenside zu bestimmen. Bei den ionischen Tensiden geschieht dies mit der HPLC (Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie mit Nachweiskonzentrationen von ~ 10^-6 bis 10^-9 also bei 1 ml eingesetzter Lösung im Bereich von Nanogramm bis Mikrogramm. Trotzdem ist das kein Problem bei dieser Konzentration.

Die Trinkwasserverordnung hat als Schwellenwert für anionische Tenside, die häufigste Gruppe einen Wert von 0,1 mg/l festglegt. Das ist rund 600- mal höher als die zu erwartende Konzentration im Badewasser. Und da in Coronazeiten maximal 30 Besucher gleichzeitig im Bad sein dürfen, gibt es auf die Bemerkung der Schwimmlehrerin eine einfache Antwort – ja wenn das jeder täte dann wäre, sofern es keine Wasserreinigung gibt nach 600 Besuchern, oder 20 x Vollausbuchung (bei auf 90 Minuten begrenzter Badezeit) also nach 30 Stunden der Grenzwert erreicht, der für Trinkwasser und nicht Badewasser gilt. Für Abwasser ist er mit 2 mg/l nochmals um den Faktor 20 höher.

Also der Klecks Duschgel ist nicht das Problem, denn es gelangt ja auch noch viel anderes vom Menschen in das Wasser. Das geht los mit Hautschuppen und Haaren, über Bakterien, die es überall auf der Haut gibt, bis hin zu Urin, und zwar auch ohne das dies absichtlich geschieht. Jeder verliert beim Schwimmen immer etwas Urin, primär eine Folge dessen das das Wasser auf die Blase drückt und so auch etwas Urin immer herausgepresst wird. Dazu kommt der Harnstoff, der sich an der Haut durch Abbauprodukte der Haut befindet. Der typische Geruch in Hallenbädern und der Effekt, dass man meistens viel müder nach dem Schwimmen ist, als im Freibad beruht darauf, dass zur Bekämpfung von Krankheitskeimen das Wasser gechlort ist, also Substanzen enthält, die Chlor freisetzen (Chlorgas wird heute kaum noch eingesetzt). Das Chlor reagiert mit dem Harnstoff im Urin und bildet aus diesem Trichloramin, ein nur wenig in Wasser löslicher Stoff, der bei den Temperaturen im Schwimmbad gasförmig ist und daher an die Luft gelangt. Aufgrund der Molekülmasse von 120 u ist er aber viermal schwerer als Luft (etwa 29 u) und so vermischt er sich nur langsam mit der Luft, und reichert sich in einer Schicht direkt über dem Wasser an, wo die Schwimmer ihn wieder einatmen. Wie zahlreiche perchlorierte Stufe wie z.B. Chloroform hat er sedierende und atemreizende Eigenschaften und er sorgt für den typischen Hallenbadgeruch. Es gibt sogar Hinweise das er Asthma mitverusachen kann, Asthmakranke klagen reproduzierbar über deutlich verstärkte Beschwerden gegenüber der Normalbevölkerung und auch bei den Beschäftigten gibt es Symptome wie Reizungen der Atemwege.

Dagegen ist das Duschgel eher harmlos.