1 Wasserinhaltsstoffe. 1.1 Arten von Wasserinhaltsstoffen. Trinkwasser

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1 1 Wasserinhaltsstoffe 1.1 Arten von Wasserinhaltsstoffen Wasserinhaltsstoffe können nach verschiedenen Kriterien eingeteilt werden: immer Chemische Beschaffenheit Fe 3+ (Gase, Elektrolyte, Nichtelektrolyte, organische Stoffe, unlösliche Stoffe) Dispersionsgrad Si 2 n H 2 (echte Lösung, kolloide Lösung, Suspension/Emulsion) Häufigkeit N 3 - (Hauptinhalts-, Begleit-, Spurenstoffe) Herkunft C 2 (natürliche und anthropogene Stoffe) Wirkung Ca 2+, 2 (erwünschte Stoffe, Schadstoffe) Trinkwasser Ca 2+ 2 (aq) Kesselspeisewasser Ca 2+ 2 (aq)

2 Übersicht über die wichtigsten Inhaltsstoffe natürlicher Wässer Lösungssystem Echte Lösung KolloideLösung Suspension Dispersionsgrad ionogen- und molekulardispers kolloiddispers grobdispers Durchmesser in m < bis 10-6 > 10-6 Hauptinhaltsstoffe häufig > 10 mg/l Begleitstoffe meist << 10 mg/l häufig > 0,1 mg/l Spurenstoffe Elektrolyte Kationen Anionen Gase Nichtelektrolyte Feststoffe Na + - HC 3 N 2 Kieselsäure K + Cl - 2 Si 2 n H 2 Ca S 4 C 2 Mg 2+ - N 3 Fe 2+ - N 2 Mn 2+ - HP 4 + NH 4 - H 2 P 4 Sr 2+ F - I - Br - Cu 2+ Li + HS - Zn 2+ Ba 2+ Pb 2+ As 3+ S 2- H s S NH 3 CH 4 He rganische Verbindungen, Stoffwechselprodukte Rn rganische Verbindungen xidhydrate Fe 2 3 n H 2, Kieselsäure, Silikate, Huminstoffe rganische Verbindungen (Halogenorg. Verbindungen) Tone, Silikate, org. Bodenbestandteile xidhydrate von Fe und Mn, Öle, Fette, Huminstoffe Viren Keime Mikroorganismen Algen

3 Mittlere Zusammensetzung natürlicher berflächengewässer Komponente X HC 3 - Süßwasser a) Meerwasser c(x) in mmol/l 0,25-4 2,5 Ca 2+ 0, H 4 Si 4 0,06-0,6 0,08 Mg 2+ 0,02-1,6 50 Cl - 0, Na + 0,002-2,5 500 H + 3, b) -6 c) 7,9 10 a) durchschnittliches berflächenwasser auf den Kontinenten b) ph 6,5-8,5 c) ph = 8,1

4 Elektrolyte und Nichtelektrolyte Wichtigste Kationen: Na + > 50 % Ca 2+ Wasserhärte K + 10 % der c(na + ) Mg 2+ Wasserhärte, % der c(ca 2+ ) Wichtigste Anionen: HC 3 -, Cl -, S 4 2- Nichtelektrolyte und Si 2 n H 2 Kolloide: Fe 2 3 n H 2 47 % 28 % Si 8 % Al 5 % Fe 4 % Ca 3 % Na 3 % K 2 % Mg 1 % Rest Die Elemente existieren in natürlichen Wässern in unterschiedlicher Form! Konzentration abhängig von Vorkommen in der Erdkruste, Verwitterungsbeständigkeit der Gesteine und Mineralien, Löslichkeit u. a. m.

5 Elemente in Mineralien der Erdkruste / Einteilung der Minerale Klasse Beispiele I Elemente Schwefel S, Kupfer Cu, Diamant C II Sulfide: Kiese, Glanze, Blenden Magnetkies FeS, Bleiglanz PbS, Zinkblende ZnS III Halogenide Halit NaCl, Sylvin KCl, Flussspat CaF 2 IV xide und Hydroxide Quarz Si 2, Korund Al 2 3, Hämatit Fe 2 3 V Carbonate Kalkspat CaC 3, Dolomit CaMg(C 3 ) 2 VI Sulfate Gips CaS 4 2 H 2, Schwerspat BaS 4 VII Phosphate VIII Silicate Klasse 1-7: Nichtsilicate 8 % der Erdkruste Phosphorit Ca 3 (P 4 ) 2, Hydroxylapatit Ca 5 (P 4 ) 3 (H), Fluorapatit Ca 5 (P 4 ) 3 F Feldspäte: Albit Na[AlSi 3 8 ], rthoklas K[AlSi 3 8 ], Anorthit Ca[Al 2 Si 2 8 ] Klasse 8: Silicate 92 % der Erdkruste

6 Übergang der Elemente (Übersicht) Ca[Al 2 Si 2 8 ] = Ca Al Si 2 CaS 4 2 H 2 = Ca S 3 2 H 2 Element Ca Fe Si S Erdkruste [Ca] [Fe 2 3 ] [Si 2 ] [S 3 ] xidations- +II +III +IV +VI zustand Hydrosphäre Ca 2+ Fe 2 3 n H 2 Si 2 n H 2 S 4 2- echt gelöst kolloidal gelöst echt gelöst

7 Wahrscheinliche Zustandsformen der Elemente in Abhängigkeit vom Ionenpotenzial φ 1) 0,18 Ionenradius in nm 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 Cs Rb K Na Li Kationenbildner φ 30 Ba Sr Ca Mg Be La Y Sc Fe Al B Anionenbildner Th Ce Zr Ti Si C Ladung in ze 30 < φ 70 Protolyte, Komplexbildner V Nb P N Mo Cr S φ > 70 1) H.-J.Voigt, Hydrogeochemie, Springer-Verlag, 1990 z e ϕ = φ (Ca 2+ ) = 2 e/0,099 nm = 20 e/nm r

8 φ 30 Kationenbildende Elemente Zustandsform M n+ bis ins basische Milieu Cs, Rb, Ba, K, Sr, Ca, Na, Li, Mg H 2 H 2 H 2 Ca H 2 H 2 H 2 2+

9 30 < φ 70 Komplexbildende Elemente, Protolyte Migration als Kation- oder Anion mit Neigung zu Protolyse und Kondensation Hydroxide mit amphoterem Charakter Be, Al, Ce, Ti, Zr, Pb, Fe, Zn, V, (Si) Protolyse bei ph = 0-2 [Fe(H 2 ) 6 ] 3+ + H 2 [Fe(H 2 ) 5 (H)] 2+ + H 3 + pk S = 2, H 2 H H 2 H H 2 H H 2 H Fe H Fe H H 2 H 2 H H 2 H 2 H H 2 H 2 + Protolyse infolge Coulombscher Abstoßung der Protonen des Hydratwassers durch positive Ladung des Kations, Abstoßung steigt mit Ionenpotenzial

10 Kondensation von [Fe(H 2 ) 6 ] 3+ abhängig von ph, c, T [Fe(H 2 ) 6 ] 3+ farblos + H 2 - H 3 + ph = 0-2 H 2 H (H 2 ) 4 Fe + Fe(H 2 ) 4 gelbbraun H H 2-2 H 2 - H 2 ph = 2-3 H (H 2 ) 4 Fe Fe(H 2 ) 4 (H 2 ) 5 Fe Fe(H 2 ) 5 H ph = 3 5 Isopolyoxo-Kationen mit H - - oder 2- -Brücken ph > 5 Bildung von kolloidal gelöstem "Fe 2 3 n H 2 " braun

11 Verknüpfungsmöglichkeiten durch H - - oder 2- Brücken H H H Fe Fe Fe Fe Fe Fe Fe-H-Fe H Fe Fe Fe Fe Fe Fe H H Fe H H H Fe H H H Fe H H - 2- H Fe Fe Fe H H Fe Fe Fe H Modell der berfläche von polymeren Fe 2 3 n H 2

12 φ > 70 Anionenbildende Elemente Zusammengesetzte Anionen E m- n, einfache Anionen vom Typ E - (Si), B, C, N, P, S, Cr / Cl, Br, I Reaktion in Lösung Si H 2 H 4 Si 4 4+ H 2 H H 2 Si H 2 H Si H H 2 H 4-3- Si P S 2- Ionen mit sehr großem Ionenpotenzial bilden keine Hydrate mehr! Sie sind nur noch in Form der freien Säure oder als Anionen beständig. Tendenz zur Kondensation

13 Kieselsäuren Monokieselsäure (rthokieselsäure) Si H 2 H 4 Si 4 bzw. Si(H) 4 fest gelöst H H Si H H Löslichkeit von Si 2 (Quarz) 2,9 mg/l Si 2 = mol/l H 4 Si 4 Löslichkeit von Si 2 (amorph) 120 mg/l Si 2 = mol/l H 4 Si 4 Monomere rthokieselsäure ist nur in geringer Konzentration mol/l H 4 Si 4 beständig. Sie ist eine schwache Säure und liegt in neutraler Lösung nahezu unprotolysiert vor. H 4 Si 4 H 3 Si H + pk S1 = 9,51

14 Kondensation von H 4 Si 4 : abhängig von c, ph, T H H H Si H + H Si H H - H 2 H H H H Si Si H Dikieselsäure H H Polykieselsäuren (kolloidal gelöstes Kieselsol) Kieselgel, "Si 2 n H 2 " (erstarrtes Sol) Silicagel, amorphes Si 2

15 Si Bildung von Kieselgel aus kolloid gelöster Polykieselsäure Sol Gel H H H Si Si H Si m Si Si Si Si Si H H H-Brücken Si

16 Verknüpfungsmöglichkeiten von Kieselsäure über 2- -Brücken H H H Si Si Si Si H H H Si: - aufgrund des großen Ionenpotenzials keine Bildung von Hydraten ( Fe) - bei Si sogar minimale Freisetzung von H + durch Spaltung von -H- Gruppen - Erzeugung von Si -Strukturen durch Kondensation der H-Gruppen

17 Gase Die Konzentration c(x) eines gelösten Gases X in Wasser ist abhängig vom Partialdruck p(x) des Gases vom spezifischen Absorptionskoeffizienten K(X) (Henry-Konstante) von der Temperatur vom Gehalt an gelösten Stoffen Aufgrund von Diffusionsvorgängen langsame Gleichgewichtseinstellung! Henry-Dalton-Gesetz c(x) = K(X) p(x) c(x) = K(X) x(x) p c(x) = Löslichkeit (mol/l) K(X) = Henry-Konstante (mol/l Pa) p(x) = Partialdruck in Pa (bar) x(x) = Volumenanteil p = Gesamtdruck K 25 ( 2 ) = 1, mol/l bar K 25 (C 2 ) = 33, mol/l bar K 25 (NH 3 ) = mol/l bar

18 Berechnung der Löslichkeit von Luftsauerstoff in trockener Luft bei Normdruck p 0 und 25 C

19 Löslichkeit in mg/l Reine Gase 2 N 2 C 2 Luft 2 N 2 C 2 mg/l C2 (rein) Löslichkeit einiger Gase in Wasser p(x) c(x) Temperatur in C

20 Gase Löslichkeit und chemische Wechselwirkung mit Wasser H Cl l [H H 2 ] + l Cl l Lösung durch Ionenbildung (Protolyse) 842 g HCl je L H 2 bei 0 C 720 g HCl je L H 2 bei 20 C H l δ + H N l H l l l H H Lösung durch Bildung von H-Brücken 907 g NH 3 je L H 2 bei 0 C 542 g NH 3 je L H 2 20 C

21 Dipol Dipol δ + l Cl Cl l δ + H 2 δ δ Lösung durch Induktionskräfte (Dipol-Dipol-Kraft) 14,6 g Cl 2 je L H 2 bei 0 C δ + δ l N N l δ + H 2 δ 0,03 g N 2 je L H 2 bei 0 C induziert permanent

22 rganische Stoffe Molekular oder kolloid gelöst bzw. grobdispers vorliegende Stoffe. polare und unpolare Löslichkeit rganische abhängig Wasserinhaltsstoffe von der Molekülmasse der Polarität der Verbindung hydrophilen funktionellen Gruppen rganische Wasserinhaltsstoffe bewirken Verfärbung Geruchs- und Geschmacksbeeinflussung Sauerstoffzehrung Gesundheitsgefährdung Begleitstoffe hochmolekulare Huminstoffe, gelb bis dunkelbraun, meist kolloid bis grobdispers vorliegend Kohlenhydrate, Eiweiße, Aminosäuren, Fette, Öle, Sterine, echt und kolloid gelöst Spurenstoffe Xenobiotika (Fremdstoffe) Natürliche Spurenstoffe

23 Huminstoffe - aromatisches Grundgerüst mit unterschiedlichen Substituenten (Bliefert, 2002) Aldehyd Carbonsäure Ether Ester Zucker Chinon Phenol Keton Amin Heterocyclus Peptid Einteilung der Huminstoffe nach ihrem Löslichkeitsverhalten: Fulvosäuren (Fulvinsäuren): löslich in Wasser und Laugen M > Huminsäuren (Hauptanteil): löslich in Laugen < M < Humine: unlöslich