Aquatische Chemie Einführung in die Chemie natürlicher Gewässer

Aquatische Chemie Einführung in die Chemie natürlicher Gewässer

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Hauptverfasser: Sigg, Laura 1951- (VerfasserIn), Stumm, Werner 1924-1999 (VerfasserIn)
Format: Buch
Sprache:German
Veröffentlicht: Zürich vdf [2016]
Ausgabe:6., überarbeitete Auflage
Schlagworte:
Hydrochemie
Fachhochschul-/Hochschulausbildung
Aquatisches System
Geochemie
Grenzflächenchemie
Hydrobiologie
Hydrologie
Limnologie
Redoxprozess
Wasserkreislauf
Wassertechnologie
Ökologie
Ökosystem
Lehrbuch
Online-Zugang:Kurzbeschreibung
Auszug
Inhaltsverzeichnis
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adam_text INHALT 1 EINFUEHRUNG IN DIE CHEMISCHE ZUSAMMENSETZUNG NATUERLICHER GEWAESSER......................................................................................19 1.1 GEWAESSER ALS OEKOSYSTEME.............................................................................. 19 1.2 GLOBALER WASSERKREISLAUF................................................................................ 20 1.3 CHEMISCHE PROZESSE IN DEN GEWAESSERN........................................................21 1.3.1 VERWITTERUNGSPROZESSE............................................................................22 1.3.2 AUSTAUSCH ZWISCHEN ATMOSPHAERE UND WASSER.......................................23 1.3.3 WECHSELWIRKUNGEN ZWISCHEN ORGANISMEN UND WASSER ......................... 24 1.3.4 ANTHROPOGENE EINTRAEGE IN GEWAESSER.......................................................27 1.4 TYPISCHE ZUSAMMENSETZUNG VERSCHIEDENER GEWAESSER.................................28 1.5 WASSER UND SEINE EINZIGARTIGEN EIGENSCHAFTEN.............................................31 AQUOIONEN...................................................................................................... 33 1.6 WICHTIGE REAKTIONSTYPEN IN GEWAESSERN.........................................................34 LITERATUR...................................................................................................................... 35 LEHRBUECHER...................................................................................................... 35 WEITERFUEHRENDE LITERATUR..................................................................................35 UEBUNGEN.................................................................................................................... 37 ANHANG KAPITEL 1: EINHEITEN UND KONSTANTEN............................................................38 TAB. A.1: KONZENTRATIONSEINHEITEN..................................................................38 TAB. A.2: INTERNATIONALE EINHEITEN FUER PHYSIKALISCHE QUANTITAETEN .................. 39 SL-PRAEFIXE FUER EINHEITEN...................................................................................40 TAB. A.3: NUETZLICHE UMRECHNUNGSFAKTOREN .................................................... 40 TAB. A.4: WICHTIGE KONSTANTEN........................................................................41 2 SAEUREN UND BASEN..........................................................................................43 2.1 EINLEITUNG........................................................................................................ 43 2.2 SAEURE-BASE-THEORIE....................................................................................... 44 2.3 DIE STAERKE EINER SAEURE ODER BASE...................................................................46 2.3.1 ACIDITAETSKONSTANTE....................................................................................46 2.3.2 SELBSTIONISATION DES WASSERS..................................................................47 2.3.3 *ZUSAMMENGESETZTE* ACIDITAETSKONSTANTE................................................49 2.4 KONZENTRATIONEN DER EINZELNEN SPEZIES ALS FUNKTION DES PH.........................51 2.5 GLEICHGEWICHTSBERECHNUNGEN.........................................................................52 2.5.1 VORGEHEN BEIM LOESEN VON GLEICHGEWICHTSPROBLEMEN ........................... 52 PROTONEN-BALANCE ANSTELLE DER LADUNGSBALANCE .................................... 55 2.5.2 TABLEAUX..................................................................................................55 BEISPIEL 2.1: PH EINER STARKEN SAEURE.......................................................58 2.6 PH ALS MASTERVARIABLE: GRAFISCHE LOESUNG VON GLEICHGEWICHTSPROBLEMEN ..... 60 2.6.1 EINPROTONIGE SAEURE..................................................................................60 2.6.2 ZWEIPROTONIGE SAEURE................................................................................64 2.6.3 WEITERE RECHNUNGSBEISPIELE...................................................................65 BEISPIEL 2.2: ESSIGSAEURE BEI VERSCHIEDENEN KONZENTRATIONEN ...................... 65 BEISPIEL 2.3: AMPHOLYT ALS PUFFERSYSTEM: HYDROGENPHTALAT.............................67 BEISPIEL 2.4: MISCHUNG VON SAEURE UND KONJUGIERTER BASE................................69 BEISPIEL 2.5: AMMONIAK-KONZENTRATION IN GEWAESSERN....................................70 2.7 SAEURE-BASE-TITRATIONSKURVEN........................................................................... 71 2.7.1 TITRATION EINER EINPROTONIGEN SAEURE..........................................................71 2.7.2 TITRATION VON MULTIPROTONIGEN SAEUREN UND BASEN....................................73 2.7.3 PUFFERINTENSITAET.........................................................................................73 2.8 SAEURE-UND BASEN-NEUTRALISIERUNGSKAPAZITAET .................................................. 75 2.9 PH-UND AKTIVITAETSKONVENTIONEN....................................................................... 75 2.9.1 REFERENZ- UND STANDARDZUSTAENDE............................................................76 2.9.2 PH-SKALEN................................................................................................78 2.9.3 AKTIVITAETSKOEFFIZIENTEN..............................................................................78 2.9.4 ACIDITAETSKONSTANTEN, GLEICHGEWICHTSKONSTANTEN.....................................80 2.10 SAURE ATMOSPHAERISCHE NIEDERSCHLAEGE............................................................81 2.10.1 ZUSAMMENSETZUNG DES REGENWASSERS..................................................81 BEISPIEL 2.6: PH IM REGENWASSER............................................................83 2.10.2 NEBEL........................................................................................................84 2.10.3 SAURE ATMOSPHAERISCHE DEPOSITIONEN UND AUSWIRKUNGEN DER LUFTSCHADSTOFFE AUF TERRESTRISCHE UND AQUATISCHE OEKOSYSTEME ....... 86 WEITERGEHENDE LITERATUR............................................................................................ 87 UEBUNGEN.................................................................................................................... 87 3 CARBONATGLEICHGEWICHTE................................................................................91 3.1 CARBONATGLEICHGEWICHTE ALS PUFFERSYSTEM DER GEWAESSER...............................91 3.2 OFFENES UND GESCHLOSSENES CARBONATSYSTEM; MODELLSYSTEME......................93 3.2.1 DAS OFFENE SYSTEM - WASSER IM GLEICHGEWICHT MIT DEM C 02 DER GASPHASE..........................................................................................94 MODELL FUER REGENWASSER..........................................................................94 KONSTRUKTION DER ABBILDUNG 3 .2 ...............................................................96 TABLEAU....................................................................................................97 3.2.2 DIE AUFLOESUNG VON CAC03(S)(CALCIT) IM OFFENEN SYSTEM: MODELL FUER SEE- UND FLUSSWASSER............................................................98 3.2.3 GRUNDWASSER: ERHOEHTER C02-PARTIALDRUCK..............................................100 3.2.4 VERGLEICH MIT DER ZUSAMMENSETZUNG NATUERLICHER GEWAESSER .................. 101 3.2.5 DAS GESCHLOSSENE CARBONATSYSTEM......................................................103 KONSTRUKTION EINES DOPPELT-LOGARITHMISCHEN GLEICHGEWICHTS- DIAGRAMMS FUER EIN 10 3 M-CARBONATSYSTEM...........................................104 TABLEAU FUER NAKC03-LOESUNG.................................................................106 3.3 ALKALINITAET UND ACIDITAET ................................................................................... 106 3.3.1 DEFINITIONEN DER ALKALINITAET UND ACIDITAET.................................................106 3.3.2 ALTERNATIVE DEFINITION DER ALKALINITAET.......................................................108 3.3.3 EINFLUSS VON FOTOSYNTHESE UND RESPIRATION AUF PH UND ALKALINITAET ...... 109 BEISPIEL 3.1............................................................................................ 109 3.3.4 ALKALINITAET IM OZEAN UND PC02-ZUNAHME................................................110 3.4 PUFFERINTENSITAET DES CARBONATSYSTEMS .......................................................... 111 3.5 ANALYTISCHE BESTIMMUNG DER ALKALINITAET UND DER ACIDITAET ............................. 113 3.5.1 BESTIMMUNG DER ALKALINITAET....................................................................113 3.5.2 BESTIMMUNG DER ACIDITAET........................................................................116 3.5.3 POTENZIOMETRISCHE UND SPEKTROPHOTOMETRISCHE METHODEN DER BESTIMMUNG VON PH ........................................................................ 118 WEITERFUEHRENDE LITERATUR.........................................................................................119 UEBUNGEN.................................................................................................................120 4 WECHSELWIRKUNG WASSER-ATMOSPHAERE.....................................................123 4.1 EINLEITUNG....................................................................................................... 123 4.2 EINFACHE GASAWASSER-GIEICHGEWICHTE; BEDEUTUNG IN DER CHEMIE DES WOLKENWASSERS, DES REGENS UND DES NEBELWASSERS ........................... 126 4.2.1 OFFENES UND GESCHLOSSENES SYSTEM MIT GASPHASE UND WASSER ............ 126 BEISPIEL 4.1: GESCHLOSSENES SYSTEM - AUFLOESUNG VON WASSERSTOFF PEROXID UND VON OZON............................................................................128 BEISPIEL 4.2: GESCHLOSSENES SYSTEM - AUFLOESUNG VON H C L..................129 4.2.2 VERTEILUNG VON S02 ZWISCHEN GASPHASE UND WASSER...........................130 BEISPIEL 4.3: LOESLICHKEIT VON S 02 IN GEGENWART VON FORMALDEHYD ..... 135 4.2.3 VERTEILUNG VON NH3 ZWISCHEN GASPHASE UND WASSER...........................136 4.2.4 AUSWASCHUNG VON SCHADSTOFFEN AUS DER ATMOSPHAERE..........................140 4.3 DIE GENESE EINES NEBELTROEPFCHENS ............................................................... 142 S02- UND NH3-ABSORPTION.............................................................................. 143 4.4 AEROSOLE........................................................................................................ 147 DIE BILDUNG VON SULFAT- UND NITRATAEROSOLEN.................................................147 BEISPIEL 4.4: AUFLOESUNG VON AEROSOLEN IM NEBELWASSER...............................149 4.5 ANSAEUERUNG UND ERHOLUNG VON GEWAESSERN .................................................. 149 4.5.1 EFFEKTE DER SAUREN NIEDERSCHLAEGE AUF GEWAESSER..................................149 4.5.2 OEKOLOGISCHE AUSWIRKUNGEN................................................................... 151 4.5.3 ERHOLUNG SAURER GEWAESSER DURCH VERMINDERUNG DER SAUREN EINTRAEGE............................................................................... 152 WEITERFUEHRENDE LITERATUR.......................................................................................... 153 UEBUNGEN.................................................................................................................. 154 5 ANWENDUNG THERMODYNAMISCHER DATEN UND KINETISCHER GRUNDLAGEN. 157 5.1 THERMODYNAMISCHE DATEN..............................................................................157 5.2 FREIE REAKTIONSENTHALPIE, CHEMISCHES POTENZIAL UND CHEMISCHES GLEICH GEWICHT ......................................................................................................... 157 BEISPIEL 5.1: BERECHNUNG DER FREIEN REAKTIONSENTHALPIE AG0 UND DER GLEICHGEWICHTSKONSTANTE..........................................................162 BEISPIEL 5.2: VERGLEICH DES REAKTIONSQUOTIENTEN MIT DER GLEICH GEWICHTSKONSTANTE (Q/K)........................................................................163 5.3 UMRECHNUNG VON GLEICHGEWICHTSKONSTANTEN AUF ANDERE TEMPERATUREN UND DRUCKE.................................................................................................... 164 5.3.1 TEMPERATURABHAENGIGKEIT........................................................................164 BEISPIEL 5.3: KS0 VON CALCIT IN FUNKTION DER TEMPERATUR........................164 5.3.2 DRUCKABHAENGIGKEIT................................................................................. 165 5.4 KINETISCHE GRUNDLAGEN.................................................................................. 165 5.4.1 DIE REAKTIONSGESCHWINDIGKEIT...............................................................167 5.4.2 EINFACHE ZEITGESETZE FUER HOMOGENE REAKTIONEN..................................167 5.4.3 PROZESSE IN DER UMWELT..........................................................................169 ANWENDUNGSBEISPIELE............................................................................170 5.5 ELEMENTARREAKTIONEN..................................................................................... 171 5.5.1 ZEITGESETZE FUER EINFACHE ELEMENTARREAKTIONEN .................................... 171 5.5.2 KONSEKUTIVE REVERSIBLE REAKTIONEN.......................................................172 5.5.3 KONSEKUTIVE IRREVERSIBLE REAKTIONEN.....................................................172 5.5.4 STEADY-STATE-ANNAHME.........................................................................173 5.5.5 ENZYM-KATALYSE.....................................................................................174 BEISPIEL 5.4: BESTIMMUNG VON KM UND VMAX FUER ENZYME IN ALGEN..........176 5.5.6 TEMPERATURABHAENGIGKEIT........................................................................176 BEISPIEL 5.5: BESTIMMUNG DER AKTIVIERUNGSENERGIE FUER DIE REAKTION VON HSO3 MIT H20 2...............................................................................177 BEISPIEL 5.6: RADIOAKTIVE ELEMENTE ALS KINETISCHE HILFSMITTEL BEI DER ALTERSBESTIMMUNG......................................................................178 5.7 THEORIE DES UEBERGANGSZUSTANDES; DER AKTIVIERTE KOMPLEX .......................... 179 5.8 FALLBEISPIEL: DIE HYDRATISIERUNG DES C 02 ...................................................... 181 5.9 FALLBEISPIEL: KINETIK DER ABSORPTION VON C02; GAS- TRANSFER ATMOSPHAERE- WASSER .............................................................. 184 BEISPIEL 5.7: GASAUSTAUSCH MIT OBERFLAECHENWASSER.....................................185 BEISPIEL 5.8: C02-TRANSFER BEI DER PH-ERHOEHUNG DURCH FOTOSYNTHESE CHEMISCHE BESCHLEUNIGUNG DES C 02-TRANSFERS ...................................... :.. 187 WEITERFUEHRENDE LITERATUR .......................................................................................... 188 ALLGEMEINE LEHRBUECHER................................................................................. 188 ANWENDUNGEN AUF AQUATISCHE SYSTEME........................................................188 DATENSAMMLUNGEN........................................................................................ 188 UEBUNGEN.................................................................................................................. 189 6 METALLIONEN IN WAESSRIGER LOESUNG...............................................................191 6.1 EINLEITUNG........................................................................................................191 SPEZIIERUNG.................................................................................................... 191 6.2 KOORDINATIONSCHEMIE UND IHRE BEDEUTUNG FUER DIE SPEZIIERUNG DER METALLIONEN IN NATUERLICHEN GEWAESSERN .................................................... 192 6.2.1 EINTEILUNG DER METALLIONEN.....................................................................192 6.2.2 HYDROLYSE UND DIE BILDUNG SCHWER LOESLICHER OXIDE UND HYDROXIDE ..... 193 BEISPIEL 6.1: HYDROLYSE VON AL3+ OHNE BILDUNG EINES FESTEN HYDROXIDS.......................................................................... 195 BEISPIEL 6.2: HYDROLYSE UND LOESLICHKEIT VON AL3+ IN GEGENWART VON FESTEM ALUMINIUMHYDROXID AI(OH)3(S)............................................196 6.2.3 KOMPLEXBILDUNG MIT ANORGANISCHEN UND ORGANISCHEN LIGANDEN IN LOESUNG............................................................................................... 197 6.3 GLEICHGEWICHTSBERECHNUNGEN DER SPEZIIERUNG VON METALLIONEN .................. 199 6.3.1 VORGEHEN ZUR BERECHNUNG VON KOMPLEXBILDUNGSGLEICHGEWICHTEN ...... 199 6.3.2 BEISPIELE FUER BERECHNUNGEN ................................................................. 200 BEISPIEL 6.3: ANORGANISCHE SPEZIIERUNG VON CU(LL) .............................. 200 BEISPIEL 6.4: SPEZIIERUNG VON CU(LL) IN ANWESENHEIT EINES ORGANISCHEN KOMPLEXBILDNERS......................................................203 BEISPIEL 6.5: BINDUNG VON CA2+ UND CU2+ DURCH NTA .......................... 204 6.3.3 BERECHNUNGEN MIT COMPUTERPROGRAMMEN .......................................... 205 6.4 EINFACHE MODELLE DER SPEZIIERUNG VON METALLEN IN NATUERLICHEN GEWAESSERN..............................................................................206 EINFACHES ANORGANISCHES MODELL...........................................................206 6.5 KOMPLEXBILDUNG MIT HUMIN- UND FULVINSAEUREN..............................................209 6.6 KOMPLEXBILDUNG MIT KOLLOIDEN UND PARTIKELN .................................................. 214 6.7 LOESLICHKEIT VON METALLEN................................................................................. 214 6.8 KINETIK DER KOMPLEXBILDUNG..........................................................................214 BEISPIEL 6.6: KINETIK DER KOMPLEXBILDUNG VON CO(LL) MIT F ...................216 BEISPIEL 6.7: KINETIK DER DISSOZIATION STABILER KOMPLEXE......................218 6.9 SPEZIIERUNG UND ANALYTISCHE BESTIMMUNG 218 6.10 WECHSELWIRKUNGEN VON METALLEN MIT ALGEN ..... 6.10.1 ESSENZIELLE UND TOXISCHE SPURENMETALLE. 6.10.2 MODELLE FUER DIE METALLAUFNAHME IN ALGEN 6.10.3 METALLPUFFER ALS KULTURMEDIEN ................. 6.10.4 METALLAUFNAHME IN PERIPHYTON 220 220 221 223 225 WEITERFUEHRENDE LITERATUR 226 UEBUNGEN 226 7 FAELLUNG UND AUFLOESUNG FESTER PHASEN......................................................231 7.1 FAELLUNG UND AUFLOESUNG FESTER PHASEN ALS MECHANISMUS ZUR REGULIERUNG DER ZUSAMMENSETZUNG NATUERLICHER GEWAESSER....................231 BEISPIEL 7.1: CHEMISCHE VERWITTERUNGSRATE UND GEWAESSER ZUSAMMENSETZUNG.................................................................................232 LOESLICHKEITSGLEICHGEWICHT.......................................................................233 7.2 LOESLICHKEITSGLEICHGEWICHTE VON HYDROXIDEN..................................................234 LOESLICHKEIT VON FE(OH)3(S) (FERRIHYDRIT) IN FUNKTION DES PH ................ 235 7.3 LOESLICHKEITSGLEICHGEWICHTE VON CARBONATEN.................................................236 7.3.1 LOESLICHKEIT VON CAC03(S) IM GESCHLOSSENEN SYSTEM OHNE GASPHASE.....................................................................................237 7.3.2 LOESLICHKEIT VON CAC03(S) UND ANDEREN CARBONATEN IM GLEICHGEWICHT MIT PCO2......................................................................239 7.3.3 LOESLICHKEIT VON CARBONATEN IM GESCHLOSSENEN SYSTEM MIT CT = KONSTANT...................................................................................241 7.4. LOESLICHKEIT VON SULFIDEN .................................................................................. 242 7.5 LOESLICHKEIT VON SI02 UND SILIKATEN.................................................................244 7.5.1 LOESLICHKEIT VON SI02(S)...........................................................................244 7.5.2 LOESLICHKEIT VON KAOLINIT..........................................................................245 7.5.3 LOESLICHKEIT UND STABILITAET IM SYSTEM K-FELDSPAT / MUSKOVIT / KAOLINIT.. 246 7.5.4 LOESLICHKEIT VON ALBIT ALS FUNKTION DES PCC 2 ........................................... 248 7.6 ABHAENGIGKEIT DER LOESLICHKEIT VON TEMPERATUR, LONENSTAERKE, DRUCK, GROESSE DER PARTIKEL........................................................................................ 249 BEISPIEL 7.2: LOESLICHKEIT VON CAC03(S) UND VON SI02(S) IN FUNKTION DER TEMPERATUR...................................................................250 7.7 WELCHE FESTE PHASE KONTROLLIERT DIE LOESLICHKEIT? ............................................ 250 7.7.1 LOESLICHKEIT UND STABILITAET VERSCHIEDENER FESTER PHASEN...........................250 BEISPIEL 7.3: STABILITAET VON FES(S) ODER FEC03(S) IN GEGENWART VON SULFID...............................................................................................252 BEISPIEL 7.4: LOESLICHKEIT VON CU IN GEGENWART VON CARBONAT ................ 255 7.7.2 KOMPONENTEN, PHASEN UND FREIHEITSGRADE...........................................258 BEISPIEL 7.5: KOEXISTENZ VERSCHIEDENER PHASEN...................................259 7.8 SIND FESTE PHASEN IM LOESLICHKEITSGLEICHGEWICHT?.........................................260 GLEICHGEWICHTSKOHLENSAEURE, SAETTIGUNGS-PH UND SAETTIGUNGS-INDIZES... 260 BEISPIEL 7.6: UEBERPRUEFUNG DER SAETTIGUNG MIT CALCIUMCARBONAT IN EINEM GRUNDWASSER...........................................................................262 7.9 KINETIK DER NUKLEIERUNG UND AUFLOESUNG FESTER PHASE...................................263 7.9.1 THEORIE DES KRISTALLWACHSTUMS ............................................................. 263 7.9.2 NUKLEIERUNG............................................................................................265 7.9.3 WACHSTUMSKINETIK..................................................................................265 7.9.4 AUFLOESUNGSKINETIK...................................................................................267 WEITERFUEHRENDE LITERATUR.......................................................................................... 267 UEBUNGEN.................................................................................................................. 267 8 REDOXPROZESSE............................................................................................269 8.1 EINLEITUNG....................................................................................................... 269 8.2 DEFINITIONEN - OXIDATION UND REDUKTION........................................................270 8.2.1 OXIDATION UND REDUKTION.......................................................................270 BEISPIEL 8.1: REDOX-STOECHIOMETRIE........................................................270 8.2.2 DIE OXIDATIONSZAHL.................................................................................271 8.3 DER GLOBALE ELEKTRONENKREISLAUF (FOTOSYNTHESE, RESPIRATION) ....................... 272 8.4 REDOX-GLEICHGEWICHTE UND REDOXINTENSITAET.................................................274 8.4.1 REDOXINTENSITAET UND REDOXPOTENZIAL.....................................................275 BEISPIEL 8.2: FE3*/ FE2* ..........................................................................277 8.4.2 EINFLUSS DER SPEZIIERUNG........................................................................278 8.5 EINFACHE BERECHNUNGEN VON REDOXGLEICHGEWICHTEN....................................279 8.5.1 DOPPELTLOGARITHMISCHES DIAGRAMM........................................................279 BEISPIEL 8.3: FE3*/ FE2* ..........................................................................279 BEISPIEL 8.4: S042 / HS .........................................................................281 BEISPIEL 8.5: EINFACHE PS-(EN)-RECHNUNGEN ........................................ 282 BEISPIEL 8.6: CL-SPEZIES.........................................................................284 8.5.2 PS-PH-DIAGRAMME..................................................................................286 8.5.3 REDOX-PUFFER..........................................................................................287 BEISPIEL 8.7: PS/PH-DIAGRAMM FUER FE, C02, H20 .................................. 288 8.6 DURCH MIKROORGANISMEN KATALYSIERTE REDOXPROZESSE...................................292 8.6.1 SEQUENZ DER REDOXREAKTIONEN UNTER DEM EINFLUSS DER MIKROORGANISMEN.............................................................................292 I) DENITRIFIKATION...................................................................................294 II) REDUKTION VON MANGAN- UND EISENOXIDEN......................................295 III) SULFATREDUKTION...............................................................................295 IV) METHANBILDUNG...............................................................................296 V) FERMENTATIONSREAKTIONEN................................................................296 8.6.2 OXIDATIONSREAKTIONEN DURCH MIKROORGANISMEN......................................297 8.6.3 EINFLUSS VON REDOXREAKTIONEN AUF SAEURE-BASE-VERHAELTNISSE ............... 298 8.7 KINETIK VON REDOXPROZESSEN..........................................................................298 8.7.1 OXIDATION VON FE(LL) ZU FE(LLL) DURCH 0 2.................................................298 8.7.2 OXIDATION VON M N(LL)..............................................................................303 8.7.3 OXIDATION VON SCHWEFELWASSERSTOFF MIT SAUERSTOFF................................304 BEISPIEL 8.8: K(S-N) UND HALBWERTSZEIT VON H2S MIT 0 2 BEI PH 7 ............ 305 8.8 OXIDATION DURCH SAUERSTOFF............................................................................306 8.8.1 THERMODYNAMISCHE PARAMETER DER SAUERSTOFFREAKTIONEN ...................... 306 8.8.2 WASSERSTOFFPEROXID H20 2 ...................................................................... 307 8.8.3 DIE EIN-ELEKTRONENSCHRITTE BEI DER REDUKTION VON 0 2 ........................... 308 8.8.4 DAS FENTON-REAGENS ............................................................................ 309 8.8.5 SINGULETTSAUERSTOFF.................................................................................309 8.8.6 KANN DIE REDOX-REAKTIVITAET MIT HILFE DER THERMODYNAMIK ABGESCHAETZT WERDEN?.............................................................................309 8.9 FOTOCHEMISCHE REDOXPROZESSE....................................................................311 8.9.1 FOTOCHEMISCHE REAKTIONEN IN GEWAESSERN .......................................... 311 8.9.2 LICHTABSORPTION......................................................................................313 8.9.3 INDIREKTE FOTOCHEMISCHE UMWANDLUNGEN: PRODUKTION VON REAKTIVEN SAUERSTOFFSPEZIES..................................................................................314 8.9.4 DIREKTE FOTOCHEMISCHE UMWANDLUNGEN.................................................317 8.9.5 EISENREDOXKREISLAUF UNTER DEM EINFLUSS VON FOTOCHEMISCHEN REAKTIONEN.............................................................................................317 8.10 DIE MESSUNG DES REDOX-POTENZIALS IN NATUERLICHEN GEWAESSERN .................. 319 BEISPIEL 8.9: ABSCHAETZUNG VON EH ODER PE AUS ANALYTISCHER INFORMATION.............................................................................................322 8.11 GLASELEKTRODE; IONENSELEKTIVE ELEKTRODEN....................................................323 WEITERFUEHRENDE LITERATUR.......................................................................................:. 324 UEBUNGEN.................................................................................................................. 325 9 GRENZFLAECHENCHEMIE.................................................................................... 329 9.1 EINLEITUNG....................................................................................................... 329 9.2 PARTIKEL IN NATUERLICHEN GEWAESSERN.................................................................330 9.3 WECHSELWIRKUNGEN AN DER GRENZFLAECHE ZWISCHEN FESTER PHASE UND WASSER....................................................................................................333 9.3.1 DIE KOORDINATIVE BINDUNG: OBERFLAECHENKOMPLEXE.................................333 9.3.2 ELEKTROSTATISCHE UND ANDERE WECHSELWIRKUNGEN .................................. 333 9.3.3 WECHSELWIRKUNGEN NICHTPOLARER VERBINDUNGEN AN OBERFLAECHEN .......... 334 9.4 ADSORPTION AUS DER LOESUNG...........................................................................335 9.4.1 ADSORPTIONSISOTHERMEN..........................................................................335 9.4.2 LANGMUIR-ADSORPTIONSISOTHERME UND FREUNDLICH-ISOTHERME ................ 335 9.4.3 DIE OBERFLAECHENSPANNUNG.....................................................................338 9.5 OXIDOBERFLAECHEN: SAEURE-BASE-REAKTIONEN, WECHSELWIRKUNG MIT KATIONEN UND ANIONEN.............................................................................339 9.5.1 OBERFLAECHENKOMPLEXE AN OXIDOBERFLAECHEN............................................339 9.5.2 SAEURE-BASE- UND KOMPLEXBILDUNGSREAKTIONEN AN OXIDOBERFLAECHEN ... 341 9.6 ELEKTRISCHE LADUNG AUF OBERFLAECHEN ........................................................... 345 9.6.1 MODELLE DER OBERFLAECHENLADUNG UND DER ELEKTRISCHEN DOPPEL SCHICHT....................................................................................................345 9.6.2 PHPZC (PH BEI OBERFLAECHENLADUNG NULL)..................................................348 9.7 MODELLE FUER DIE OBERFLAECHENKOMPLEXBILDUNG ............................................... 349 BEISPIEL 9.1: ADSORPTION VON PB(LL) AUF EINER HAEMATIT-OBERFLAECHE ..... 349 9.8 TONMINERALIEN................................................................................................ 351 9.8.1 STRUKTUREN UND FUNKTIONELLE GRUPPEN AN OBERFLAECHEN VON TONMINERALIEN.................................................................................351 DIE SILOXAN DI-TRIGONALE KAVITAET..............................................................353 9.8.2 OBERFLAECHENLADUNG UND LONENBINDUNGSVERMOEGEN................................353 BEISPIEL 9.2: OBERFLAECHENLADUNG VON KAOLINIT........................................353 9.8.3 LONENAUSTAUSCHGLEICHGEWICHTE..............................................................354 LONENAUSTAUSCHHARZE............................................................................355 9.9 SPEKTROSKOPISCHE METHODEN ZUR UNTERSUCHUNG DER STRUKTUREN AN OBERFLAECHEN.............................................................................................. 355 BEISPIEL 9.3: ADSORPTION VON ARSENAL UND ARSENIT AN EISENOXIDOBERFLAECHEN............................................................................357 9.10 OBERFLAECHENCHEMIE UND REAKTIVITAET; KINETIK DER AUFLOESUNG..........................359 9.10.1 OBERFLAECHENREAKTIONEN UND AUFLOESUNG..................................................359 9.10.2 GESCHWINDIGKEITSGESETZE......................................................................360 9.10.3 AUFLOESUNG VON ALUMINIUMSILIKATEN.........................................................364 9.10.4 KATALYSE VON REDOXPROZESSEN AN OXIDOBERFLAECHEN..............................365 9.10.5 DIE HALBLEITEROBERFLAECHE; IHR EINFLUSS AUF LICHTINDUZIERTE REDOX- PROZESSE................................................................................................367 9.11 KOLLOIDSTABILITAET..............................................................................................369 9.11.1 PHYSIKALISCHES MODELL DER KOLLOIDSTABILITAET............................................369 9.11.2 DIE CHEMISCHE BEEINFLUSSUNG DER OBERFLAECHENLADUNG ......................... 373 9.12 SORPTION HYDROPHOBER VERBINDUNGEN............................................................374 9.13 SYNTHETISCHE NANOPARTIKEL............................................................................377 WEITERFUEHRENDE LITERATUR................................................................................378 UEBUNGEN........................................................................................................ 378 10 WASSERTECHNOLOGIE; ANWENDUNG OBERFLAECHENCHEMISCHER PROZESSE... 381 10.1 EINLEITUNG...................................................................................................... 381 10.2 FLOCKUNG, KOAGULATION...................................................................................382 10.2.1 DEFINITION DER KOAGULATION.....................................................................382 10.2.2 AL(LLL) UND FE(LLL) ALS KOAGULATIONSMITTEL................................................383 10.2.3 ENTFERNUNG VON HUMINSTOFFEN UND HUMINAEHNLICHEN VERBINDUNGEN ..... 384 10.2.4 ORGANISCHE POLYELEKTROLYTE....................................................................385 10.2.5 PHOSPHAT-ELIMINATION.............................................................................387 10.2.6 ANWENDUNGEN DER KOAGULATION IN DER ABWASSERTECHNOLOGIE ............... 387 10.2.7 KINETIK DER KOAGULATION..........................................................................388 BEISPIEL 10.1: KOAGULATIONSKINETIK.........................................................390 10.3 FILTRATION......................................................................................................... 391 10.3.1 RAUMFILTRATION IN POROESEM MEDIUM........................................................392 10.3.2 MEMBRANFILTRATION..................................................................................394 10.4 FLOTATION......................................................................................................... 395 10.5 AKTIVKOHLEADSORPTION..................................................................................... 396 10.5.1 SORPTIONSISOTHERMEN..............................................................................396 10.5.2 DIE DURCHBRUCHSKURVE...........................................................................397 10.6 KORROSION DER METALLE ALS ELEKTROCHEMISCHER PROZESS..................................398 10.6.1 THERMODYNAMISCHE ASPEKTE.................................................................398 10.6.2 KATHODISCHER SCHUTZ UND ANODISCHE AKTIVIERUNG..................................399 10.6.3 PASSIVIERUNG EINER METALLOBERFLAECHE ..................................................... 401 DIE KALKROSTSCHUTZSCHICHT ..................................................................... 401 WEITERFUEHRENDE LITERATUR.......................................................................................... 402 UEBUNGEN.................................................................................................................. 402 11 BIOGEOCHEMISCHE KREISLAEUFE EINIGER ELEMENTE ....................................... 405 11.1 VERTEILUNG VON STOFFEN IN DER UMWELT............................................................405 DIE VERSCHIEDENEN RESERVOIRE DER UMWELT...........................................405 11.2 KOHLENSTOFFKREISLAUF IN DEN GEWAESSERN ........................................................ 407 11.2.1 GLOBALER KOHLENSTOFFKREISLAUF ................................................................ 407 11.2.2 KOHLENSTOFFKREISLAUF IN GEWAESSERN....................................................... 409 11.2.3 ZUSAMMENSETZUNG DES NATUERLICHEN ORGANISCHEN MATERIALS (NOM) ... 410 11.3 STICKSTOFFKREISLAUF IN GEWAESSERN UND ATMOSPHAERE........................................416 11.3.1 GLOBALER STICKSTOFFKREISLAUF ................................................................... 416 11.3.2 DIE WICHTIGSTEN REDOXPROZESSE IM KREISLAUF N2(G) - NH4+ 25 N 03 -** N2(G)..............................................................420 I) N2-FIXIERUNG.....................................................................................420 II) NITRIFIKATION......................................................................................421 III) DENITRIFIKATION..................................................................................421 IV) STICKOXIDE IN DER ATMOSPHAERE ........................................................ 422 11.4 BIOGEOCHEMISCHER KREISLAUF DES PHOSPHORS.................................................423 11.5 KREISLAEUFE VON METALLEN IN GEWAESSERN..........................................................424 11.5.1 EINTRAEGE VON METALLEN IN GEWAESSER ...................................................... 424 11.5.2 BINDUNG DER METALLE AN LIGANDEN, AN PARTIKELOBERFLAECHEN UND AN ORGANISMEN...............................................................................425 11.5.3 REGULIERUNG VON METALLEN IN SEEN UND FLUESSEN...................................426 11.5.4 SPURENMETALLE IN DEN OZEANEN............................................................429 WEITERFUEHRENDE LITERATUR..........................................................................................431 UEBUNGEN.................................................................................................................. 432 12 ANWENDUNGEN AUF AQUATISCHE SYSTEME..................................................433 12.1 SEE................................................................................................................ 433 12.1.1 FOTOSYNTHETISCHE PRODUKTION UND EUTROPHIERUNG .................................. 433 12.1.2 REDOXVERHAELTNISSE IN EUTROPHEN SEEN .................................................. 436 RUECKLOESUNG VON PHOSPHAT AUS SEDIMENTEN ......................................... 439 12.1.3 AUSFAELLUNG VON CALCIUMCARBONAT IN SEEN ............................................. 440 12.1.4 SEDIMENTATION........................................................................................441 12.2 FLIESSGEWAESSER.............................................................................................. 442 12.2.1 BELASTUNGSQUELLEN UND WASSERQUALITAET ................................................ 442 12.2.2 CHEMISCHE UND BIOLOGISCHE PROZESSE IN FLIESSGEWAESSERN .................. 444 FOTOSYNTHESE UND RESPIRATION...............................................................444 NITRIFIKATION.............................................................................................445 GASAUSTAUSCH........................................................................................447 WECHSELWIRKUNGEN GELOEST / PARTIKULAER....................................................448 12.2.3 ABFLUSS UND STOFFKONZENTRATIONEN IN FLIESSGEWAESSERN ......................... 450 LANGFRISTIGE KONZENTRATIONSAENDERUNGEN IN FLIESSGEWAESSERN ............... 452 12.3 GRUNDWASSER.................................................................................................453 12.3.1 GRUNDWASSER ALS TRINKWASSERRESERVOIR - BELASTUNGSQUELLEN ............... 453 12.3.2 BIOGEOCHEMISCHE PROZESSE BEI DER INFILTRATION ..................................... 455 12.3.3 TRANSPORT VON SCHADSTOFFEN IM GRUNDWASSER ...................................... 458 WEITERFUEHRENDE LITERATUR..........................................................................................463 SEE.........................................................................................................463 FLIESSGEWAESSER......................................................................................464 GRUNDWASSER.........................................................................................464 UEBUNGEN..................................................................................................................465 REFERENZEN.............................................................................................................469 UEBUNGSLOESUNGEN...................................................................................................483 KAPITEL 1 ...................... !.......................................................................................... 483 KAPITEL 2................................................................................................................... 483 KAPITEL 3................................................................................................................... 484 KAPITEL 4................................................................................................................... 485 KAPITEL 5................................................................................................................... 486 KAPITEL 6................................................................................................................... 487 KAPITEL 7................................................................................................................... 487 KAPITEL 8................................................................................................................... 488 KAPITEL 9................................................................................................................... 489 KAPITEL 10................................................................................................................. 490 KAPITEL 11................................................................................................................. 490 KAPITEL 12................................................................................................................. 491 ANHANG 1: PERIODENSYSTEM DER ELEMENTE ........................................................ 492 ANHANG 2: ANWENDUNG VON COMPUTERPROGRAMMEN ZUR LOESUNG VON CHEMISCHEN GLEICHGEWICHTSPROBLEMEN......................................................493 ANHANG 2.1: COMPUTERPROGRAMME..........................................................................493 ANHANG 2.2: ALLGEMEINES VORGEHEN........................................................................493 ANHANG 2.3: BEISPIELE.............................................................................................. 495 BEISPIEL 1: KOMPLEXBILDUNG VON CU2+ MIT OH UND C 032 (TABLEAU 6.2) ............ 495 BEISPIEL 2: LOESLICHKEIT EINER FESTEN PHASE ......................................................... 496 BEISPIEL 3: ADSORPTION AN EINER FESTEN PHASE .................................................... 497 ANHANG 3: THERMODYNAMISCHE DATEN ................................................................500 INDEX ....................................................................................................................512
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