Monochloramin

Monochloramin , oft auch Chloramin genannt , ist die chemische Verbindung mit der Formel NH₂Cl _. Zusammen mit Dichloramin (NHCl₂ ₎ und Stickstofftrichlorid (NCl₃ ₎ gehört es zu den drei Chloraminen des Ammoniaks . ^{[ 3 ]} Es ist eine farblose Flüssigkeit mit einem Schmelzpunkt von −66 °C (−87 °F), wird aber üblicherweise als verdünnte wässrige Lösung gehandhabt und in dieser Form gelegentlich als Desinfektionsmittel eingesetzt . Chloramin ist zu instabil, um seinen Siedepunkt zu messen. ^{[ 4 ]}

Chloramin wird als Desinfektionsmittel für Wasser verwendet. Es ist weniger aggressiv als Chlor und lichtbeständiger als Hypochlorite . ^{[ 5 ]}

Chloramin wird zunehmend in niedrigen Konzentrationen als sekundäres Desinfektionsmittel in kommunalen Wasserverteilungssystemen anstelle der Chlorung eingesetzt , da Monochloramin deutlich weniger reaktiv ist und sich nicht so schnell zersetzt wie elementares Chlor (in der Wasseraufbereitung als freies Chlor bezeichnet). Chloramin hat zudem eine deutlich geringere, aber dennoch vorhandene Tendenz als freies Chlor, organische Stoffe in Chlorverbindungen wie Chloroform und Tetrachlorkohlenstoff umzuwandeln . Diese Verbindungen gelten als krebserregend , und die US-Umweltschutzbehörde (EPA) begann 1979 mit der Regulierung ihrer Konzentrationen im US- Trinkwasser . ^{[ 6 ]}

Einige der nicht regulierten Nebenprodukte bergen möglicherweise größere Gesundheitsrisiken als die regulierten Chemikalien. ^{[ 7 ]}

Aufgrund seines sauren Charakters kann die Zugabe von Chloramin zum Trinkwasser die Bleibelastung erhöhen , insbesondere in Gebieten mit älteren Gebäuden. Dies kann zu erhöhten Bleikonzentrationen im Blut führen und ein erhebliches Gesundheitsrisiko darstellen. Glücklicherweise können Wasserwerke ätzende Chemikalien direkt im Werk zugeben, die sowohl die Korrosivität des Wassers verringern als auch das Desinfektionsmittel stabilisieren. ^{[ 8 ]}

In Schwimmbädern entstehen Chloramine durch die Reaktion von freiem Chlor mit Aminogruppen organischer Substanzen , hauptsächlich solcher biologischen Ursprungs (z. B. Harnstoff in Schweiß und Urin ). Chloramine sind im Vergleich zu freiem Chlor weniger wirksam als Desinfektionsmittel und reizen bei unsachgemäßer Handhabung die Augen von Schwimmern stärker. Sie sind verantwortlich für den charakteristischen Chlorgeruch von Schwimmbädern, der von der Öffentlichkeit oft fälschlicherweise elementarem Chlor zugeschrieben wird. ^{[ 9 ] [ 10 ]} Einige Pool-Testkits für Privathaushalte unterscheiden nicht zwischen freiem Chlor und Chloraminen, was zu irreführenden Ergebnissen und suboptimalen Chloraminwerten im Poolwasser führen kann. ^{[ 11 ]} Es gibt zudem Hinweise darauf, dass die Exposition gegenüber Chloraminen zu Atemwegserkrankungen , einschließlich Asthma , bei Schwimmern beitragen kann . ^{[ 12 ]} Atemwegserkrankungen im Zusammenhang mit Chloraminexposition sind unter Leistungsschwimmern häufig. ^{[ 13 ]}

Obwohl der charakteristische Geruch von Chloramin von manchen als angenehm und sogar nostalgisch beschrieben wird ^{[ 14 ]} , lässt sich seine Bildung im Poolwasser durch den Kontakt von Körperflüssigkeiten mit Chlor minimieren, indem man vor dem Betreten des Pools duscht und andere Hygienemaßnahmen beachtet ^{[ 15 ]} , auf das Schwimmen verzichtet, wenn man an Verdauungsbeschwerden leidet, und Pausen für den Toilettengang einlegt, anstatt einfach in den Pool zu urinieren. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

Die Trinkwasserqualitätsstandards der US-Umweltschutzbehörde (EPA) begrenzen die Chloraminkonzentration in öffentlichen Wasserversorgungssystemen auf 4 ppm ( Teile pro Million ), basierend auf einem gleitenden Jahresmittelwert aller Proben im Verteilungsnetz. Um die von der EPA festgelegten Grenzwerte für halogenierte Desinfektionsnebenprodukte einzuhalten , stellen viele Wasserversorger von der Chlorung auf die Chloraminierung um . Obwohl die Chloraminierung insgesamt weniger regulierte halogenierte Desinfektionsnebenprodukte erzeugt, kann sie höhere Konzentrationen an nicht regulierten iodierten Desinfektionsnebenprodukten und N- Nitrosodimethylamin ( NDMA ) erzeugen . ^{[ 18 ] [ 19 ]} Sowohl iodierte Desinfektionsnebenprodukte als auch NDMA sind genotoxisch und können die genetische Information einer Zelle schädigen, was zu Mutationen und möglicherweise zu Krebs führen kann . ^{[ 19 ]}

Ein weiteres neu identifiziertes Nebenprodukt von Chloramin sind Chloronitramid-Anionen , deren Toxizität noch nicht bestimmt wurde. ^{[ 20 ]}

Wenn in einer öffentlichen Wasserversorgung von Chlor auf Monochloramin als Desinfektionsmittel umgestellt wird, ist bekannt, dass Blei aus Bleirohren ausgewaschen wird . ^{[ 21 ]}

Die oxidative Wirkung von Chlor stabilisiert eine Passivierungsschicht aus Bleidioxid in Bleirohren, Chloramin ist jedoch ein schwächeres Oxidationsmittel als elementares Chlor. Wird Chlor in der Wasserversorgung durch Monochloramin ersetzt, kann Bleidioxid daher zu besser wasserlöslichen Bleiverbindungen reduziert werden, was zu erhöhten Bleikonzentrationen im Trinkwasser führt. ^{[ 22 ]}

Chloramin ist in Wasser und Ether leicht löslich, in Chloroform und Tetrachlorkohlenstoff jedoch weniger . ^{[ 5 ]} In konzentrierter Form ist es sehr instabil. Reines Chloramin zersetzt sich oberhalb von −40 °C (−40 °F) heftig. ^{[ 23 ]} In gasförmiger Form und in wässriger Lösung ist es thermisch etwas stabiler. ^{[ 5 ]}

In verdünnter wässriger Lösung wird Chloramin durch die Reaktion von Ammoniak mit Natriumhypochlorit hergestellt : ^{[ 5 ]}

NH ₃ + NaOCl → NH ₂ Cl + NaOH

Chloramin entsteht auch durch die Reaktion von Harnstoff im Urin: ^{[ 24 ]}

2 HClO + CO(NH ₂ ) ₂ → CO ₂ + H ₂ O + 2 NH ₂ Cl

Gasförmiges Chloramin kann durch die Reaktion von gasförmigem Ammoniak mit Chlorgas (verdünnt mit Stickstoffgas ) gewonnen werden:

2 _NH₃ + _Cl₂ ⇌ _NH₂Cl + NH₄Cl_​​

Reines Chloramin kann durch Leiten von Fluoramin durch Calciumchlorid hergestellt werden :

2 NH ₂ F + CaCl ₂ → 2 NH ₂ Cl + CaF ₂

Die kovalenten N−Cl-Bindungen der Chloramine werden leicht unter Freisetzung von hypochloriger Säure hydrolysiert : ^{[ 25 ]}

RR′NCl + H₂O _⇌ RR′NH + HOCl

Die quantitative Hydrolysekonstante ( K- Wert) repräsentiert die bakterizide Wirkung von Chloraminen und liegt im Allgemeinen im Bereich von ¹⁰⁻⁴ bis ¹⁰⁻¹⁰ (2,8 × 10⁻¹⁰ für Monochloramin). Es wird durch die folgende Formel angegeben ^:

${\displaystyle K={\frac {c_{{\text{RR}}'{\text{NH}}}\cdot c_{\text{HOCl}}}{c_{{\text{RR}}'{\text{NCl}}}}}}$

In wässriger Lösung zersetzt sich Chloramin in einem neutralen oder schwach alkalischen Medium ( pH ≤ 11 ) langsam zu Distickstoff und Ammoniumchlorid :

3 NH₂Cl _→ N₂ ₊ NH₄Cl ₊ 2 HCl

Allerdings zersetzen sich nur wenige Prozent einer 0,1  M Chloraminlösung in Wasser innerhalb weniger Wochen gemäß der angegebenen Formel. Bei pH-Werten über 11 findet langsam folgende Reaktion mit Hydroxidionen statt:

3 NH₂Cl ₊ 3 OH⁻ ^→ NH₃ + N₂ ₊ 3 _Cl⁻ ⁺ 3 _H₂O

In saurem Medium bei pH-Werten um 4 disproportioniert Chloramin zu Dichloramin , welches wiederum bei pH-Werten unter 3 erneut zu Stickstofftrichlorid disproportioniert .

2 NH ₂ Cl + H ⁺ ⇌ NHCl ₂ + NH+4

3 NHCl ₂ + H ⁺ ⇌ 2 NCl ₃ + NH+4

Bei niedrigen pH-Werten überwiegt Stickstofftrichlorid, bei pH 3–5 Dichloramin. Diese Gleichgewichte werden durch die irreversible Zersetzung beider Verbindungen gestört:

NHCl ₂ + NCl ₃ + 2 H ₂ O → N ₂ + 3 HCl + 2 HOCl

In Wasser ist Chloramin pH-neutral. Es ist ein Oxidationsmittel (saure Lösung: E ° = +1,48 V , basische Lösung: E ° = +0,81 V ): ^{[ 5 ]}

NH₂Cl + 2 _H⁺ ⁺ 2 e⁻ ^→ NH+4+ Cl ⁻

Zu den Reaktionen von Chloramin gehören radikalische , nukleophile und elektrophile Substitution von Chlor, elektrophile Substitution von Wasserstoff und oxidative Additionen .

Chloramin kann, ähnlich wie hypochlorige Säure, in Reaktionen mit Nukleophilen (Nu ⁻ ) positiv geladenes Chlor abgeben:

Nu ⁻ + NH ₃ Cl ⁺ → NuCl + NH ₃

Beispiele für Chlorierungsreaktionen sind Umwandlungen zu Dichloramin und Stickstofftrichlorid in saurem Medium, wie im Abschnitt über die Zersetzung beschrieben.

Chloramin kann auch Nukleophile aminieren ( elektrophile Aminierung ):

Nu ⁻ + NH ₂ Cl → NuNH ₂ + Cl ⁻

Die Aminierung von Ammoniak mit Chloramin zu Hydrazin ist ein Beispiel für diesen Mechanismus, der im Olin-Raschig-Verfahren beobachtet wird:

NH₂Cl + _NH₃ + _NaOH → _{N₂H₄ +} NaCl + _H₂O

Chloramin aminiert sich selbst elektrophil in neutralen und alkalischen Medien, um seine Zersetzung einzuleiten:

2 _NH₂Cl → _N₂H₃Cl + _HCl​

Das bei der Selbstzersetzung entstehende Chlorhydrazin (N₂H₃Cl ₎ ist instabil und zersetzt _sich selbst, was zu folgender Nettozersetzungsreaktion führt:

3 NH₂Cl _→ N₂ ₊ NH₄Cl ₊ 2 HCl

Monochloramin oxidiert Sulfhydryl- und Disulfide auf die gleiche Weise wie hypochlorige Säure, ^{[ 26 ]} besitzt aber nur 0,4 % der bioziden Wirkung von HClO. ^{[ 27 ]}

• Desinfektion
• Desinfektionsnebenprodukte
• Wasseraufbereitung
• Erreger
• Chloramine

• „Chloriertes Trinkwasser“, IARC-Monographie (1991)
• EPA-Maximalwerte für Schadstoffe
• WebBook - Seite für _NH₂Cl
• Chlor und Chloramine im Süßwasseraquarium