ppm – Eine Abkürzung mit vielen Bedeutungen
Parts per million – (An-)Teile pro Million: Die Abkürzung ppm scheint auf den ersten Blick eine klare Bedeutung zu haben. Auf den zweiten Blick offenbaren sich aber Tücken im Gebrauch.
Was bedeutet ppm genau?
Inhaltsverzeichnis
Die Abkürzung ppm wird häufig in der Geologie oder der Chemie eingesetzt, um Konzentrationen und Mischungsverhältnisse zu beschreiben. Aber auch in der Industrie wird gern mit dem Begriff gearbeitet. Hier dient er im Qualitätswesen als Maß für Produktionsausschuss (defekte Teile pro Million produzierter Teile) oder für Feldrückläufer. Die Abkürzung wird jedoch in der Chemie eher grundsätzlich als „ein Millionstel“ verwendet. Als analoge Größe zu ppm gibt es noch ppb (parts per billion, ein Milliardstel) und ppt (parts per trillion, ein Billionstel; Verwechslungsgefahr mit parts per thousand, ein Promille).
Eine Einheit, mehrere Messgrößen
Es können unterschiedliche Messgrößen miteinander ins Verhältnis gesetzt werden:
- Massenanteil: 1 ppm entspricht hier 1 µg/g oder 1 mg/kg. Korrekterweise stellt man bei dieser Angabe den Buchstaben w für „weight“ hintenan, also ppmw.
- Volumenanteil: 1 ppm entspricht hier 1 µl/l oder 1 ml/m³. Korrekterweise stellt man bei dieser Angabe den Buchstaben v für „volume“ hintenan, also ppmv.
- Stoffmengenanteil: Das Analogon zu dem oben angesprochenen Gebrauch in der Industrie. In der analytischen Chemie wird der Mengenanteil selten in dieser Form angegeben. Die Stoffmengeneinheit in der Naturwissenschaft ist das sogenannte mol (6,022*1023 Teilchen). Ein ppm wäre demnach 1 µmol/mol.
- Stoffkonzentration in wässrigen Lösungen: Dieser Gebrauch ist weit verbreitet, aber eigentlich nicht korrekt. 1 ppm entspricht hier 1 mg/l. Es wird hier davon ausgegangen, dass 1 l Wasser genau 1 kg wiegt, was faktisch bei Lösungen nie der Fall ist und nur ungefähr stimmt.
- Luftverschmutzung: Ähnlich wird mit Gaskonzentrationen in der Luft bei Umweltschutzmessungen verfahren. 1 ppm ist 1µg/m³, wobei der Kubikmeter Luft etwa mit 1 kg Gewicht angenommen wird.
Wie wird ppm gemessen?
Niedrige ppm-Werte bedeuten, dass man jeweils eine leistungsfähige Analytik braucht, um die geringen Stoffkonzentrationen zu messen. Dabei ist die Messmethode jeweils von der Problemstellung abhängig. Soll ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas untersucht werden? Welches sind die Substanzen, deren Anteil bestimmt werden soll? Zwei Beispiele:
Die Probenluft wird durch eine Reaktionslösung geleitet. Stickstoffdioxid reagiert mit den Lösungsbestandteilen zu einem roten Farbstoff, dessen Farbintensität photometrisch gemessen und in den Gehalt umgerechnet wird.
Nitrat ist in wässriger Lösung ein negativ geladenes Teilchen, ein sogenanntes Anion. Deren Konzentration kann über Ionenchromatographie bestimmt werden. Anionen wie Nitrat, Chlorid oder Sulfat verhalten sich in Ionenaustauschersystemen charakteristisch. Sie besitzen unterschiedliche Retentionszeiten und erreichen zeitlich versetzt den Detektor, meist eine Leitfähigkeitsmessung. Im Fall von Nitrat kann auch über UV-Detektion der Gehalt bestimmt werden.
Trinkwasser: ppm-Grenzwerte
Die deutsche Trinkwasser-Verordnung listet viele Substanzen auf, die im Trinkwasser vorkommen und benennt Grenzwerte. Es folgt eine Auswahl von Stoffen mit hoher Relevanz. Viele der Stoffe sind physiologisch wirksam. Die Grenzwerte liegen teils weit unter dem Tagesbedarf und werden durch andere Faktoren bestimmt. Einige Stoffe sind aber auch giftig.
- Blei kann vor allem bei Kindern zu chronischen Vergiftungen führen. Die Verwendung von Bleirohren in der Vergangenheit führt hier zu einer hohen Relevanz. Der erlaubte Grenzwert liegt bei 0,04 ppm (mg/l).
- Calcium ist ein wichtiges Material für den Knochenaufbau, trägt aber auch zur Wasserhärte bei. Grenzwert: 400 ppm (mg/l).
- Chlorid ist neben Natrium Bestandteil von Kochsalz. Es ist aber auch korrosionsfördernd. Grenzwert: 250 ppm (mg/l).
- Eisen führt bei höheren Werten zu Färbungen und unangenehmen Geschmack: Grenzwert: 0,2 ppm (mg/l).
- Kupfer ist als Spurenelement lebensnotwendig, kann aber bei Säuglingen zu Vergiftungen führen. Grenzwert: 3 ppm (mg/l).
- Magnesium ist ein wichtiger Mineralstoff für Muskeln und Nerven, macht das Wasser aber auch schnell hart. Grenzwert: 50 ppm (mg/l).
- Natrium: siehe Chlorid. Grenzwert: 150 ppm (mg/l).
- Nitrat ist wichtig zur Düngung, in höheren Konzentrationen aber für Kleinkinder schädlich. Grenzwert: 50 ppm (mg/l).
- Nitrit kann durch Reduktion von Nitrat entstehen und ist giftig. Grenzwert: 0,1 ppm (mg/l).
Beispielrechnung
Je nach Messmethode ist das Messsignal eine Größe, die entweder in eine Stoffmenge oder Masse umgerechet wird. Nitrat hat eine Molmasse von 46 g (das ist das Gewicht von 6,022 *1023 Teilchen). Wasser hat eine Molmasse von 18 g. 1 Liter Wasser (ca. 1 kg) beinhaltet also 55,6 mol. Wenn eine Trinkwasseranalyse feststellt, dass in 1 l Wasser 3*10-4 mol (300 µmol) Nitrat enthalten sind, dann sind das 13,8 mg. Daraus ergeben sich folgende Werte:
- Konzentration: 13,8 ppm (mg/l), übliche Angabe
- Massenanteil: 13,8 ppmw (mg/kg), gleicher Wert
- Stoffmengenanteil: 5,4 ppm (µmol/mol), 300 µmol / 55,6 mol
