Chemie aquatischer Systeme. Herbstsemester 2013

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1 Chemie aquatischer Systeme Herbstsemester 2013

2 Ziele der Vorlesung Verständnis der chemischen Zusammensetzung der Gewässer aufgrund chemischer Prozesse Verknüpfung chemischer Prozesse mit biologischen und physikalischen Prozessen Anwendung der chemischen Gleichgewichte

3 Ziele (2) Einsicht in Beeinträchtigung aquatischer Oekosysteme durch anthropogene Einflüsse Interpretation chemischer Daten

4 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.

5 Einige aktuelle Probleme Globaler CO 2 -Kreislauf, CO 2 in Ozeanen Arsen im Trinkwasser (Bangladesh, Vietnam) Diffuse Einträge von Nährstoffen in Seen (z. B. Landwirtschaft) Verhalten von Nanopartikeln in aquatischer Umwelt

6 CO 2 -Kreislauf CO 2 -Gleichgewichte im Wasser Gas-Wasser-Austausch Biologische und chemische Kreisläufe

7 Ocean acidification

8 Arsen im Trinkwasser: Bangladesh Auch andere Regionen in Asien

9 Grundlagen für Beurteilung und Wasseraufbereitung Redoxprozesse As; Löslichkeit, Bindung an festen Phasen; Reaktionen von As an Oberflächen

10 Blaualgen verunreinigen den Greifensee Blaualgen sorgen dafür, dass sich der Greifensee verfärbt und ausladend schäumt. (August 2011) Bild Kantonales Labor Zürich

11 Nährstoffe in Seen N-, P-Einträge in Seen Redoxprozesse Stöchiometrie der Nährstoffaufnahme

12 Nanopartikel in Konsumprodukten

13 Nanopartikel in aquatischer Umwelt Löslichkeit der Partikel Oberflächenreaktionen Koagulation, Flockung

14 Problematische anorganische Stoffe in Gewässern Nährstoffe (P, N, C) Starke Säuren Schwermetalle (Cd, Hg, Cu usw.)

15 Globale Wasserprobleme Thematic Scope 2012 Water and Food security Cooperation towards Quality Standards for Aquatic Ecosystems

16 Globaler Wasserverbrauch

17 Aquatische Systeme Seen Fliessgewässer

18 Grundwasser Aquatische Systeme

19 Regenwasser Aquatische Systeme

20 Chemische Prozesse Von molekularen Prozessen zu Systemverhalten...

21 Wassermolekül

22 Wasser: Wasserstoffbrücken

23 Wasser : H3O+

24 Auflösung von NaCl

25 Aquoionen Ionen umgeben von Wassermolekülen, 6 oder 4

26 Anion im Wasser: F-

27 Chemische Reaktionen in aquatischen Systemen Säure-Base-Reaktionen HCO H + H 2 CO 3 Fällungs- / Auflösungsreaktionen CaCO 3(s) + H 2 CO 3 Ca HCO 3 - Austausch Gas-Wasser CO 2(g) CO 2(aq) HCO H +

28 Chemische Reaktionen in aquatischen Systemen Komplexbildung von Metallionen mit Liganden Zn 2+ + EDTA 4- ZnEDTA 2- Redoxprozesse SO e- + 9H + HS H 2 O Wechselwirkungen an Grenzflächen FeOH + Pb 2+ FeOPb + + H +

29 Spezierung in Lösung Redoxzustand, ionische Form : Ca 2+ (aq) H 2 PO 4 - Säure-Base : H 2 PO 4- /HPO 4 2- Komplexbildung

30 Wechselwirkungen der Gewässer mit Atmosphäre, Gesteinen, Biota, Anthroposphäre

31 Typische Konzentrationen in See oder Fluss

32 Wasser feste Phasen Gas Gas gelöst gelöst Organismen N, P gelöst feste Phase

33 Verwitterungsreaktionen Mineral + H 2 O +H 2 CO 3 Kationen + Anionen CaCO 3 (s) + H 2 CO 3 Ca HCO 3 - CaSO 4 (s) + H 2 O Ca 2+ + SO 4 2- Mineral + H 2 O +H 2 CO 3 Kationen + Anionen + Kieselsäure+ Tonmineral NaAlSi 3 O 8 (s) H 2 O + H 2 CO 3 Na + + HCO H 4 SiO Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 (s)

34 Hauptkationen in Gewässern Kationen Regen H + + NH ph "Mittlerer" Fluss Na + K + ph ZH-See Ca 2+ Mg 2+ ph mäq/l

35 Ionenbilanzen Kationen = Anionen Äquivalente / Liter entspricht Mole Ladungen / Liter

36 Hauptanionen in Gewässern Anionen Regen Fluss Cl - ZH-See HCO 3 - SO 4 2- NO mäq/l

37 Zusammensetzung Meerwasser Ca 2+ Kationen Meer Mg 2+ Na + K + ph äq/l HCO 3 - Anionen Meer SO 4 2- Cl äq/l

38 Photosynthese und Respiration

39 Stöchiometrische Verhältnisse der Nährstoffe CO NO HP O 4 + (x H 4 S i O 4 ) H 2 O + 18 H + (+ 16 NH + 4 ) P R {C 106 H 263 O 110 N 16 P 1 ( S i x ) } O 2 (+14 H + )

40 Genfersee, August 0 O2 µmol/l, Px

41 Genfersee: P vs. O2

42 Löslichkeit von Gasen O 2 (g) Luft O 2 (aq) Wasser Gleichgewicht : Henry-Konstante K H = [ O2 ( aq)] p O 2 Charakteristisch für jedes Gas, temperaturabhängig

43 Löslichkeit von Gasen Beispiel Atmosphäre, 25 C: [O 2 ] = K H p O2 = 2.62 x 10-4 mol/l [N 2 ] = K H p N2 = 4.91 x 10-4 mol/l

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