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Chemie aquatischer Systeme
Herbstsemester 2013
Ziele der Vorlesung
• Verständnis der chemischen Zusammensetzung der
Gewässer aufgrund chemischer Prozesse
• Verknüpfung chemischer Prozesse mit biologischen
und physikalischen Prozessen
• Anwendung der chemischen Gleichgewichte
Ziele (2)
• Einsicht in Beeinträchtigung aquatischer
Oekosysteme durch anthropogene Einflüsse
• Interpretation chemischer Daten
Chemie aquatischer Systeme
Aquatische Chemie
• Chemie der gelösten und suspendierten Stoffe
in aquatischen Systemen:
- natürliche Systeme (See, Fluss,
Grundwasser)
- technische Systeme (Kläranlagen,
Trinkwasser).
• Reaktionen und Phasenübergänge der
gelösten Stoffe.
Einige aktuelle Probleme
• Globaler CO2-Kreislauf, CO2 in Ozeanen
• Arsen im Trinkwasser (Bangladesh, Vietnam)
• Diffuse Einträge von Nährstoffen in Seen
(z. B. Landwirtschaft)
• Verhalten von Nanopartikeln in aquatischer Umwelt
CO2-Kreislauf
• CO2-Gleichgewichte im Wasser
• Gas-Wasser-Austausch
• Biologische und chemische Kreisläufe
Ocean acidification
www.ucar.edu/communications/Final_acidification.pdf
Arsen im Trinkwasser: Bangladesh
Auch andere Regionen
in Asien
Grundlagen für Beurteilung und Wasseraufbereitung
• Redoxprozesse As;
• Löslichkeit, Bindung an festen Phasen;
• Reaktionen von As an Oberflächen
Blaualgen verunreinigen den Greifensee
Blaualgen sorgen dafür, dass sich der Greifensee verfärbt und ausladend schäumt.
(August 2011)
Bild Kantonales Labor Zürich
Nährstoffe in Seen
• N-, P-Einträge in Seen
• Redoxprozesse
• Stöchiometrie der Nährstoffaufnahme
Nanopartikel in Konsumprodukten
Nanopartikel in aquatischer Umwelt
• Löslichkeit der Partikel
• Oberflächenreaktionen
• Koagulation, Flockung
Problematische anorganische Stoffe in Gewässern
 Nährstoffe (P, N, C)
 Starke Säuren
 Schwermetalle (Cd, Hg, Cu usw.)
Globale Wasserprobleme
Thematic Scope 2012
Water and Food security
Cooperation towards Quality Standards for
Aquatic Ecosystems
Globaler Wasserverbrauch
www.unwater.org
Aquatische Systeme
Seen
Fliessgewässer
Aquatische Systeme
Grundwasser
Aquatische Systeme
Regenwasser
Chemische Prozesse
Von molekularen Prozessen zu
Systemverhalten ....
Wassermolekül
http://www.lsbu.ac.uk/water/index.html
Wasser: Wasserstoffbrücken
http://www.lsbu.ac.uk/water/index.html
Wasser : H3O+
Auflösung von NaCl
Aquoionen
Ionen umgeben von Wassermolekülen, 6 oder 4
Anion im Wasser: F-
Chemische Reaktionen in
aquatischen Systemen
• Säure-Base-Reaktionen
HCO3- + H+ ↔ H2CO3
• Fällungs- / Auflösungsreaktionen
CaCO3(s) + H2CO3 ↔ Ca2+ + 2 HCO3• Austausch Gas-Wasser
CO2(g) ↔ CO2(aq) ↔ HCO3- + H+
Chemische Reaktionen in
aquatischen Systemen
• Komplexbildung von Metallionen mit Liganden
Zn2+ + EDTA4- ↔ ZnEDTA2• Redoxprozesse
SO42- + 8e- + 9H+ ↔ HS- + 4 H2O
• Wechselwirkungen an Grenzflächen
≡FeOH + Pb2+ ↔ ≡FeOPb+ + H+
Spezierung in Lösung
• Redoxzustand, ionische Form :
Ca2+(aq) H2PO4• Säure-Base : H2PO4-/HPO42• Komplexbildung
Wechselwirkungen der Gewässer mit
Atmosphäre, Gesteinen, Biota, Anthroposphäre
Typische Konzentrationen in See oder Fluss
Wasser – feste Phasen – Gas
Gas

gelöst
gelöst  Organismen
N, P
gelöst  feste Phase
Verwitterungsreaktionen
Mineral + H2O +H2CO3  Kationen + Anionen
CaCO3(s) + H2CO3  Ca2+ +2 HCO3CaSO4(s) + H2O
 Ca2+ + SO42-
Mineral + H2O +H2CO3  Kationen + Anionen
+ Kieselsäure+ Tonmineral
NaAlSi3O8(s) + 4.5 H2O + H2CO3  Na+ + HCO3- + 2 H4SiO4
+0.5 Al2Si2O5(OH)4 (s)
Hauptkationen in Gewässern
Kationen
H
+
NH
Regen
+
pH 4.0 - 5.0
4
"Mittlerer"
Fluss
Na
ZH-See
Ca
0
0.5
+
K
+
pH 6.5 - 8.5
2+
Mg
1
1.5
mäq/L
2
2+
2.5
pH 7.5
- 8.5
3
Ionenbilanzen
∑Kationen = ∑Anionen
Äquivalente / Liter entspricht Mole Ladungen / Liter
Hauptanionen in Gewässern
Anionen
Regen
Fluss
Cl
ZH-See
HCO
0
0.5
-
SO
3
1
24
NO
1.5
mäq/L
2
2.5
3
3
Zusammensetzung Meerwasser
Kationen
Ca
2+
Mg
M eer
0
HCO
2+
0.1
Na
0.2
0.3
äq/L
K
+
0.4
0.5
+
pH 8.1
0.6
0.7
0.6
0.7
Anionen
3
SO
M eer
0
Cl
2-
-
4
0.1
0.2
0.3
äq/L
0.4
0.5
Photosynthese und Respiration
Stöchiometrische Verhältnisse der Nährstoffe
106 CO2 + 16 NO3- + 1 HPO42- + (x H4SiO4) + 122 H2O
+ 18 H+
(+16 NH4+ )
P
R
{C106H263O110N16P1(Six)} + 138 O2
(+14 H+)
Genfersee, August
O2 µmol/L, Px100
0
100
200
300
400
0
50
100
150
200
250
300
350
www.cipel.org
Genfersee: P vs. O2
Löslichkeit von Gasen
O2(g)
O2(aq)
Luft
Wasser
Gleichgewicht : Henry-Konstante
KH =
[O2 (aq)]
pO2
Charakteristisch für jedes Gas, temperaturabhängig
Löslichkeit von Gasen
Beispiel Atmosphäre, 25 °C:
[O2] = KH pO2 = 2.62 x 10-4 mol/L
[N2] = KH pN2 = 4.91 x 10-4 mol/L