Stoffhaushalt I: Gase in Wasser

Stoffhaushalt I: Gase in Wasser
Jan Geiger
Chemie/Geographie
4. Semester
Ausarbeitung für das Seminar zur angewandten Geographie:
Gewässergüte – Wasserqualität – Gewässerökologie
Elke Fischer
SS 2005
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1. Einleitung ..................................................................................................................................... 3
2. Allgemeines zum Thema „Löslichkeit“ ....................................................................................... 3
2.1 Differenzierung „Lösungsmittel“ oder „gelöste Stoffe“ .................................................... 3
2.2 Löslichkeit .......................................................................................................................... 3
2.3. Der Auflösungsprozess ..................................................................................................... 4
2.3 Abhängigkeit der Löslichkeit von Druck und Temperatur ................................................ 4
2.4 Mögliche Konzentrationsangaben ...................................................................................... 5
3. Sauerstoff ..................................................................................................................................... 5
3.1 Physikalische und chemische Eigenschaften des Sauerstoffs ............................................ 5
3.2 Der Sauerstoffkreislauf ...................................................................................................... 6
4. Kohlenstoff ................................................................................................................................... 7
4.1. Physikalische und chemische Eigenschaften des Kohlenstoffs ........................................ 7
4.2. Der Kohlenstoffkreislauf ................................................................................................... 8
4.3. Dissolved Organic Matter (DOM) .................................................................................... 9
5. Stickstoff .................................................................................................................................... 10
5.1. Physikalische und chemische Eigenschaften des Stickstoffs .......................................... 10
5.2. Der Stickstoffkreislauf .................................................................................................... 11
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1. Einleitung
Im folgenden Text soll auf den Stoffhaushalt des Wassers, hinsichtlich gasförmiger Stoffe
eingegangen werden. Dabei wird, nach einer kurzen allgemeinen Betrachtung von Gasen und
ihrer Löslichkeit in Wasser, besonderes Augenmerk auf Sauerstoff und den Kohlenstoffkreislauf
gelegt.
2. Allgemeines zum Thema „Löslichkeit“
2.1 Differenzierung „Lösungsmittel“ oder „gelöste Stoffe“
Unter dem Lösungsmittel versteht man im Allgemeinen die Komponente des Stoffsystems,
welche den größten Mengenanteil. Die übrigen Komponenten sind die gelösten Stoffe.
Diese willkürliche Einteilung ist jedoch nicht immer von nutzen, so dass es auch vorkommen
kann, dass nicht diejenige Komponente mit dem größten Mengenanteil zum Lösungsmittel erklärt
wird.
Im Folgenden wird jedoch, dem Thema entsprechend, immer das Wasser als Lösungsmittel
gesehen.
2.2 Löslichkeit
Unter der Löslichkeit eines Stoffes versteht man die maximale Stoffmenge, die sich unter
bestimmten Umständen in einem bestimmten Volumen des Lösungsmittels lösen lässt, so dass
sich ein stabiles System ausbildet. Man nennt dieses stabile System auch gesättigte Lösung. Eine
gesättigte Lösung ist insofern stabil, als dass die Konzentration sich nicht verändert. Es wird im
gleichen Maß ungelöster Stoff in gelöste Form umgewandelt wie gelöster Stoff in ungelöste
Form. Man nennt so einen Zustand dynamisches Gleichgewicht.
Der zugegebene Stoff kann flüssig, fest oder gasförmig sein. In unserem Fall werden jedoch nur
Gase betrachtet.
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2.3. Der Auflösungsprozess
Man unterscheidet polare und unpolare Substanzen. Ein Beispiel für eine polare Substanz ist
Wasser, während Tetrachlormethan als unpolare Substanz zu betrachten ist. Polare und unpolare
Substanzen lassen sich generell nicht mischen. Es entwickeln sich zwei von einander getrennte
Phasen, da sich die polaren Wassermoleküle sehr stark aneinander anlagern
(Wasserstoffbrückenbindung) und den Tetrachlormethanmolekülen keine Möglichkeit geben sich
anzulagern.
Man kann verallgemeinernd sagen: Polare Substanzen lösen sich nur in polaren Lösungsmitteln
und unpolare Substanzen lösen sich nur in unpolaren Lösungsmitteln (Mortimer).
Wasser, als polares Lösungsmittel, hat die besondere Eigenschaft Ionenbindungen gut auflösen
zu können. An die Sauerstoffseite des Dipolmoleküls, welche tendenziell negativer geladen ist,
als die Wasserstoffseite, lagern sich positiv geladene Ionen an. An die Wasserstoffseite lagern
sich natürlich somit die negativ geladenen Ionen an. Man nennt solche aus dem Kristallverband
ausgebrochenen Ionen hydratisierte Ionen.
2.3 Abhängigkeit der Löslichkeit von Druck und Temperatur
Mithilfe des 1884 von Henri Le Chatelier vorgestelltem „Prinzip des kleinsten Zwanges“ sind,
ohne großen Aufwand, relativ exakte Vorhersagen möglich, wie sich ein im Gleichgewicht
befindliches System unter Druck- bzw. Temperaturänderung verhält. Nach dem Prinzip des
kleinsten Zwanges weicht ein im Gleichgweicht befindliches System einem Zwang aus und es
stellt sich ein neues Gleichgewicht ein.
Daraus lassen sich folgende Sätze herleiten:
a) Erhöht man die Temperatur wird die wärmeliefernde Reaktion zurückgedrängt und umgekehrt.
b) Erhöht man den Druck, weicht das System so aus, dass die volumenverkleinernde Reaktion
gefördert wird und umgekehrt.
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2.4 Mögliche Konzentrationsangaben
Eine Möglichkeit die Konzentration auszudrücken ist der Massenanteil. Dabei wird der
Massenanteil des gelösten Stoffes auf die Masse der gesamten Lösung bezogen. Man nennt die
Konzentrationsangabe auch Molalität.
w( X ) 
m( X )
m( Lösung )
Des Weiteren ist durch das Verhältnis der Stoffmenge des gelösten Stoffes zu der Stoffmenge
aller Stoffe in der Lösung, der Stoffmengenanteil definiert.
x( A) 
n( A)
n( A)  n( B)  n(C )  ...  n( Z )
Die Stoffmengenkonzentration ist durch die Relation von der Stoffmenge des gelösten Stoffes
pro Volumen Lösung definiert. Normalerweise wird diese in mol/L angegeben.
c( A) 
n( A)
v( Lösung )
3. Sauerstoff
3.1 Physikalische und chemische Eigenschaften des Sauerstoffs
Sauerstoff ist das häufigste Element der Erdkruste. Er findet sich in der Natur als Modifikationen
Disauerstoff O2 und Trisauerstoff O3 (Ozon). Der „normale“ Disauerstoff ist ein farb-, geruchund geschmackloses Gas, welches in Wasser mäßig löslich ist. Sauerstoff ist für fast alle
Organismen überlebenswichtig, da der Sauerstoff für die Oxidationsreaktion von Glucose zu
Kohlendioxid und Wasser wichtig ist. Bei dieser Reaktion wird die Energie zur Erhaltung der
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Lebensvorgänge freigesetzt. Diesen Vorgang nennt man O2-Veratmung. Den Vorgang der der
Sauerstoffbildung aus CO2 und H2O nennt man Photosynthese.
Eine Ausnahme bilden hierbei anaerobe Bakterien, die ihren Stoffwechsel auf andere Art und
Weise unterhalten.
Entstehung von Sauerstoff durch Photosynthese:
6CO2  6 H 2 O  h  Chlorophyl
  C 6 H 12O6  6O 2
Veratmung von Sauerstoff:
C 6 H 12O6  O2 
 6CO2  6 H 2 O  Energie
Des Weiteren ist elementarer Trisauerstoff für die Entwicklung des Lebens auf der Erde
unerlässlich, da dieser die Besiedelung der Erdoberfläche, durch die Bildung der Ozonschicht
und damit die Absorption von lebensfeindlicher UV-Strahlung, erst ermöglichte. (Hellmann)
3.2 Der Sauerstoffkreislauf
Wie schon durch die beiden obigen Reaktionsgleichungen deutlich wird ist der SauerstoffKreislauf über Photosynthese/Veratmung mit dem CO2-Kreislauf und somit mit dem
Kohlenstoffkreislauf verknüpft. Der Sauerstoffkreislauf besteht aus Prozessen die Sauerstoff
produzieren und Prozessen bei denen Sauerstoff verbraucht wird.
Wie schon erwähnt wird molekularer Sauerstoff von Pflanzen und Algen durch Photosynthese
produziert, während der so entstandene Sauerstoff durch die Veratmung wieder verbraucht wird.
Ein weiterer sauerstoffverbrauchender Prozess ist jegliche Art von Verbrennung von Substanzen.
Unter Verbrennung versteht man Prozesse bei denen durch Erhitzen die Bindung im O2-Molekül
aufgebrochen wird und die sich durch ihre exotherme Reaktion selbst erhalten.
Zu diesen Verbrennungsreaktionen gehört auch die Reaktion von Kohlenmonoxid mit Sauerstoff
zu Kohlendioxid. (siehe Abbildung 1)
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Abbildung 1
4. Kohlenstoff
4.1. Physikalische und chemische Eigenschaften des Kohlenstoffs
Kohlenstoff ist ein Element der 4. Hauptgruppe und besitzt als solches die Fähigkeit noch vier
Elektronen bis zur Edelgaskonfiguration aufnehmen zu können. Der Kohlenstoff hat die
Elektronenkonfiguration [He] 2s2 2p2. Ein Kohlenstoffatom hat die Möglichkeit bis zu 4
Bindungen einzugehen. Dazu werden aus den 4 Valenzelektronen des Kohlenstoffs, von denen
sich 2 im s-Orbital und jeweils eins in einem der der p-Orbitale befinden, energetisch
gleichwertige Elektronen, welche sich in so genannten sp3-Hybridorbitalen befinden. Darauf
kann man auch aus der Tatsache schließen, dass im Methanmolekül die Bindungen zu den vier
einzelnen H-Atomen alle gleich lang sind.
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Wie schon in dem Abschnitt über den Sauerstoffkreislauf erwähnt wurde, verbrennt organisches
Material unter Sauerstoffmangel zu Kohlenstoffmonoxid.
Wenn ausreichend Sauerstoff zugegen ist, reagiert der Kohlenstoff zu Kohlenstoffdioxid bzw.
Kohlenstoffmonoxid wird zu Kohlenstoffdioxid weiter verbrannt.
4.2. Der Kohlenstoffkreislauf
Der Kohlenstoff ist ohne Zweifel eins der wichtigsten Elemente der Erde. Er ist zum einen als
wichtigster Bestandteil der organischen Verbindungen an jeglicher Form Leben beteiligt und
zudem, als eines der wichtigsten Treibhausgase, in der Atmosphäre als CO2 enthalten. Da die
Erdoberfläche zu 70% mit Wasser bedeckt ist und CO2 sich relativ gut in Wasser lösen lässt, sind
die Ozeane ein wichtiger Kohlenstoffspeicher.
Weitere Kohlenstoffspeicher sind anorganischer Kohlenstoff, der in Festgestein oder
Sedimentablagerungen, organischer Kohlenstoff biologischen Ursprungs in fossilen Lagerstätten
(Erdgas, Erdöl, Kohle), organischer Kohlenstoff im Boden, CO2 in der Atmosphäre und
organischer Kohlenstoff in lebender oder toter Biomasse.
Die Wanderung des Kohlenstoffs durch Bio-, Atmo-, und Hydrosphäre nennt man
Kohlenstoffkreislauf.
Lösungen von Kohlendioxid in Wasser enthalten im wesentlichen gelöste CO2 Moleküle;
weniger als 1% davon setzt sich zu H2CO3 um (Mortimer 1996). Die Kohlensäure deprotoniert
jedoch sofort, so dass im Wasser HCO3- und CO32- vorliegen.
Reaktionsschema von CO2 mit H2O:
H 2 O  CO2 
 H 2 CO3 
 H   HCO3 
 2H   CO32
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Abbildung 2: Grundwasserökologie C.Griebeler, F. Mösselbacher
4.3. Dissolved Organic Matter (DOM)
Unter dissolved organic matter versteht man ein Gemisch aus vielen sich unterscheidenden
Kohlenstoffverbindungen, die für Mikroorganismen die wichtigste Nahrungsquelle darstellen.
Unter oxischen Bedingungen wird diese organische Materie von den Mikroorganismen zu CO2
oxidiert. Dabei wird Sauerstoff zu H2O reduziert. Wenn also eine hohe Konzentration an DOM in
Gewässern mit eine großen Anzahl an Mikroorganismen zusammentrifft führt dies dazu, dass der
Sauerstoffgehalt in diesem Gewässer rapide absinkt.
In einem solchen anoxischen Gewässer bilden die anaerob arbeitenden Mikroorganismen durch
die Reduktion von CO2 mit H2 Methan. Diese Produktion nennt man Methanogenese. Der
Kohlenstoffkreislauf wird dann durch die Oxidation von Methan zu Kohlenstoffdioxid wieder
geschlossen.
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5. Stickstoff
5.1. Physikalische und chemische Eigenschaften des Stickstoffs
Stickstoff ist ein Element der 5. Hauptgruppe. Elementarer Stickstoff ist gasförmig und tritt als
N2-Molekül auf. Molekularer Stickstoff ist ein farb-, geruchs und geschmackloses Gas, welches
den Hauptbestandteil unserer Atmosphäre ausmacht (ca. 78 Volumenprozent). Neben diesem
großen Stickstoffspeicher, stellt der Boden und organisches Material, in welchem der Stickstoff
meist als Teil der Aminosäuren, lokalisiert ist.
Die Elektronenkonfiguration des Stickstoffs ist [He] 2s22p3. Das Stickstoffmolekül ist durch die
stabile Dreifachbindung und die damit verbundene sehr hohe Dissoziationsenergie äußerst
Reaktionsträge.
Die Reaktionsfähigkeit von Stickstoff wird oftmals von bestimmten Bioorganismen katalytisch
erhöht. Man spricht in einem solchen Fall von Stickstoff-Fixierung (siehe 5.2).
Häufige Stickstoffverbindungen:
Name
Summenformel
Ammoniak
NH3
Distickstoffoxid
N2O
Stickstoffmonoxid
NO
Hydrogennitrat
HNO3
Nitrat
NO3-
Nitrit
NO2-
Ammonium
NH4+
Trivialname
Lachgas
Salpetersäure
Stickstoffverbindungen sind meist gut wasserlöslich, was dazu führt, dass diese leicht aus dem
Boden ausgewaschen werden können.
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5.2. Der Stickstoffkreislauf
Unter dem Stickstoffkreislauf versteht man die Zirkulation des Stickstoffs zwischen der
Atmosphäre dem Boden und Bioorganismen, sowie die dabei entstehenden Zwischenstufen.
Das Distickstoffmonoxid ist ein Treibhausgas. Zudem ist das Lachgas in der Lage Ozon
abzubauen. Lachgas wird dabei zu Stickstoffmonoxid reduziert, welches bei weiterer
Anwesenheit von Sauerstoff zu Stickstoffdioxid reduziert wird. Hier ist die Verknüpfung mit dem
Sauerstoffkreislauf deutlich zu erkennen.
N 2 O  1 O2 
 2 NO
2
NO  1 O2 
 NO2
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Beim Lösen von NO2 in Wasser unter Anwesenheit von Sauerstoff entsteht Salpetersäure:
NO2  1 O2  H 2 O 
 2 HNO3
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Das Anion der Salpetersäure ist das Nitrat (NO3-).
Unter Nitrifikation versteht man die Umwandlung von Ammonium (NH4+) zu Nitrat, wobei so
genannte Nitrifkanten in 2 Schritten die Umwandlung ermöglichen.
Im ersten Schritt oxidieren so genannte Nitrosomonas Ammoniak zu Nitrit, während dieses im
zweiten Schritt durch so genannte Nitrobacter zu Nitrat weiteroxidiert wird.
Nitrat kann von bestimmten Mikroorganismen bei anoxischen Bedingungen zu elementarem
Stickstoff reduziert werden. Man nennt diese Mikroorganismen Denitrifikanten und den Prozess
Denitrifikation.
Die Reduktion von Ammoniak über Nitrat zu elementarem Stickstoff schließt den natürlichen
Stickstoffkreislauf. Ein nicht zu verachtender Beitrag zu diesem Kreislauf wird anthropogen,
durch die Düngung mit organischem Stickstoff beziehungsweise mit Ammonium- oder
Nitrathaltigen Mineralen, erbracht.
Diese zusätzlichen Einträge von Stickstoff erhöhen die Konzentration von stickstoffhaltigen
Verbindungen in den Gewässern.
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Abbildung 3
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