Stoffhaushalt I: Gase in Wasser
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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 1 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 2 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. 3 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. 4 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 5 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) 6 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. 7 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 8 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. 9 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. 10 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 2 Beim Lösen von NO2 in Wasser unter Anwesenheit von Sauerstoff entsteht Salpetersäure: NO2 1 O2 H 2 O 2 HNO3 2 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. 11 Abbildung 3 12
