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Werner Stumm

Aquatische Chemie

Einführung in die Chemie natürlicher Gewässer

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EAN/ISBN
9783838584638
5. 2011
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Details

Dieses Buch behandelt die Grundlagen der aquatischen Chemie, der Chemie wässriger Lösungen und ihrer Anwendung auf die natürlichen Gewässer und auf andere aquatische Systeme. Die verschiedenen chemischen Reaktionen werden eingehend aufgrund der thermodynamischen Gleichgewichte und der kinetischen Gesetzmässigkeiten diskutiert und quantitativ mit vielen Beispielen und Übungen behandelt. Diese Grundlagen ermöglichen es, die chemischen Prozesse in natürlichen Gewässern und in technischen Systemen der Abwasserreinigung und der Trinkwasseraufbereitung zu verstehen.

In der Neuauflage wurden alle Kapitel unter dem Gesichtspunkt aktueller Entwicklungen revidiert. Ein zusätzliches Kapitel behandelt die Anwendungen auf die Systeme See, Fließgewässer und Grundwasser.
  • Aquatische Chemie I
  • Impressum 2
  • Vorwort3
  • Inhalt5
  • 1 Einführung in die chemische Zusammensetzung natürlicher Gewässer19
  • 1.1 Gewässer als Ökosysteme19
  • 1.2 Globaler Wasserkreislauf20
  • 1.3 Chemische Prozesse in den Gewässern21
  • 1.3.1 Verwitterungsprozesse22
  • 1.3.2 Austausch zwischen Atmosphäre und Wasser23
  • 1.3.3 Wechselwirkungen zwischen Organismen und Wasser24
  • 1.3.4 Anthropogene Einträge in Gewässer27
  • 1.4 Typische Zusammensetzung verschiedenerGewässer28
  • 1.5 Wasser und seine einzigartigen Eigenschaften31
  • 1.6 Wichtige Reaktionstypen in Gewässern34
  • Literatur35
  • Übungen37
  • Anhang Kapitel 1: Einheiten und Konstanten38
  • 2 Säuren und Basen43
  • 2.1 Einleitung43
  • 2.2 Säure-Base-Theorie44
  • 2.3 Die Stärke einer Säure oder Base46
  • 2.3.1 Aciditätskonstante46
  • 2.3.2 Selbstionisation des Wassers47
  • 2.3.3 „Zusammengesetzte“ Aciditätskonstante49
  • 2.4 Konzentrationen der einzelnen Speziesals Funktion des pH51
  • 2.5 Gleichgewichtsberechnungen52
  • 2.5.1 Vorgehen beim Lösen von Gleichgewichtsproblemen52
  • 2.6 pH als Mastervariable: grafische Lösungvon Gleichgewichtsproblemen60
  • 2.6.1 Einprotonige Säure60
  • 2.6.2 Zweiprotonige Säure64
  • 2.6.3 Weitere Rechnungsbeispiele65
  • 2.7 Säure-Base-Titrationskurven71
  • 2.7.1 Titration einer einprotonigen Säure71
  • 2.7.2 Titration von multiprotonigen Säuren und Basen73
  • 2.7.3 Pufferintensität73
  • 2.8 Säure- und Basen-Neutralisierungskapazität75
  • 2.9 pH- und Aktivitätskonventionen75
  • 2.9.1 Referenz- und Standardzustände76
  • 2.9.2 pH-Skalen78
  • 2.9.3 Aktivitätskoeffizienten78
  • 2.9.4 Aciditätskonstanten, Gleichgewichtskonstanten80
  • 2.10 Saure atmosphärische Niederschläge81
  • 2.10.1 Zusammensetzung des Regenwassers81
  • 2.10.2 Nebel84
  • 2.10.3 Saure atmosphärische Depositionen und Auswirkungender Luftschadstoffe auf terrestrische und aquatische Ökosysteme86
  • Weitergehende Literatur87
  • Übungen87
  • 3 Carbonatgleichgewichte91
  • 3.1 Carbonatgleichgewichte als Puffersystemder Gewässer91
  • 3.2 Offenes und geschlossenes Carbonatsystem;Modellsysteme93
  • 3.2.1 Das offene System – Wasser im Gleichgewicht mit dem CO2der Gasphase94
  • 3.2.2 Die Auflösung von CaCO3(s)(Calcit) im offenen System:Modell für See- und Flusswasser98
  • 3.2.3 Grundwasser: erhöhter CO2-Partialdruck100
  • 3.2.4 Vergleich mit der Zusammensetzung natürlicher Gewässer101
  • 3.2.5 Das geschlossene Carbonatsystem103
  • 3.3 Alkalinität und Acidität106
  • 3.3.1 Definitionen der Alkalinität und Acidität106
  • 3.3.2 Alternative Definition der Alkalinität108
  • 3.3.3 Einfluss von Fotosynthese und Respiration auf pH und Alkalinität109
  • 3.3.4 Alkalinität im Ozean und pCO2-Zunahme110
  • 3.4 Pufferintensität des Carbonatsystems111
  • 3.5 Analytische Bestimmung der Alkalinitätund der Acidität113
  • 3.5.1 Bestimmung der Alkalinität113
  • 3.5.2 Bestimmung der Acidität116
  • 3.5.3 Potenziometrische und spektrophotometrische Methodender Bestimmung von pH118
  • Weiterführende Literatur119
  • Übungen120
  • 4 Wechselwirkung Wasser–Atmosphäre123
  • 4.1 Einleitung123
  • 4.2 Einfache Gas/Wasser-Gleichgewichte; Bedeutungin der Chemie des Wolkenwassers, des Regensund des Nebelwassers126
  • 4.2.1 Offenes und geschlossenes System mit Gasphase und Wasser126
  • 4.2.2 Verteilung von SO2 zwischen Gasphase und Wasser130
  • 4.2.3 Verteilung von NH3 zwischen Gasphase und Wasser136
  • 4.2.4 Auswaschung von Schadstoffen aus der Atmosphäre140
  • 4.3 Die Genese eines Nebeltröpfchens142
  • 4.4 Aerosole147
  • 4.5 Ansäuerung und Erholung von Gewässern149
  • 4.5.1 Effekte der sauren Niederschläge auf Gewässer149
  • 4.5.2 Ökologische Auswirkungen151
  • 4.5.3 Erholung saurer Gewässer durch Verminderung der sauren Einträge152
  • Weiterführende Literatur153
  • Übungen154
  • 5 Anwendung thermodynamischer Datenund kinetischer Grundlagen157
  • 5.1 Thermodynamische Daten157
  • 5.2 Freie Reaktionsenthalpie, chemisches Potenzialund chemisches Gleichgewicht157
  • 5.3 Umrechnung von Gleichgewichtskonstantenauf andere Temperaturen und Drucke164
  • 5.3.1 Temperaturabhängigkeit164
  • 5.3.2 Druckabhängigkeit165
  • 5.4 Kinetische Grundlagen165
  • 5.4.1 Die Reaktionsgeschwindigkeit167
  • 5.4.2 Einfache Zeitgesetze für homogene Reaktionen167
  • 5.4.3 Prozesse in der Umwelt169
  • 5.5 Elementarreaktionen171
  • 5.5.1 Zeitgesetze für einfache Elementarreaktionen171
  • 5.5.2 Konsekutive reversible Reaktionen172
  • 5.5.3 Konsekutive irreversible Reaktionen172
  • 5.5.4 Steady-State-Annahme173
  • 5.5.5 Enzym-Katalyse174
  • 5.5.6 Temperaturabhängigkeit176
  • 5.7 Theorie des Übergangszustandes;der aktivierte Komplex179
  • 5.8 Fallbeispiel: Die Hydratisierung des CO2181
  • 5.9 Fallbeispiel: Kinetik der Absorption von CO2;Gas-Transfer Atmosphäre–Wasser184
  • Weiterführende Literatur188
  • Übungen189
  • 6 Metallionen in wässriger Lösung191
  • 6.1 Einleitung191
  • 6.2 Koordinationschemie und ihre Bedeutungfür die Speziierung der Metallionen in natürlichenGewässern192
  • 6.2.1 Einteilung der Metallionen192
  • 6.2.2 Hydrolyse und die Bildung schwer löslicher Oxide und Hydroxide193
  • 6.2.3 Komplexbildung mit anorganischen und organischen Ligandenin Lösung197
  • 6.3 Gleichgewichtsberechnungen der Speziierungvon Metallionen199
  • 6.3.1 Vorgehen zur Berechnung von Komplexbildungsgleichgewichten199
  • 6.3.2 Beispiele für Berechnungen200
  • 6.3.3 Berechnungen mit Computerprogrammen205
  • 6.4 Einfache Modelle der Speziierung von Metallenin natürlichen Gewässern206
  • 6.5 Komplexbildung mit Humin- und Fulvinsäuren209
  • 6.6 Komplexbildung mit Kolloiden und Partikeln214
  • 6.7 Löslichkeit von Metallen214
  • 6.8 Kinetik der Komplexbildung214
  • 6.9 Speziierung und analytische Bestimmung218
  • 6.10 Wechselwirkungen von Metallen mit Algen220
  • 6.10.1 Essenzielle und toxische Spurenmetalle220
  • 6.10.2 Modelle für die Metallaufnahme in Algen221
  • 6.10.3 Metallpuffer als Kulturmedien223
  • 6.10.4 Metallaufnahme in Periphyton225
  • Weiterführende Literatur226
  • Übungen226
  • 7 Fällung und Auflösung fester Phasen231
  • 7.1 Fällung und Auflösung fester Phasen als Mechanismuszur Regulierung der Zusammensetzungnatürlicher Gewässer231
  • 7.2 Löslichkeitsgleichgewichte von Hydroxiden234
  • 7.3 Löslichkeitsgleichgewichte von Carbonaten236
  • 7.3.1 Löslichkeit von CaCO3(s) im geschlossenen System ohne Gasphase237
  • 7.3.2 Löslichkeit von CaCO3(s) und anderen Carbonaten im Gleichgewichtmit pCO2239
  • 7.3.3 Löslichkeit von Carbonaten im geschlossenen Systemmit CT = konstant241
  • 7.4 Löslichkeit von Sulfiden242
  • 7.5 Löslichkeit von SiO2 und Silikaten244
  • 7.5.1 Löslichkeit von SiO2(s)244
  • 7.5.2 Löslichkeit von Kaolinit245
  • 7.5.3 Löslichkeit und Stabilität im System K-Feldspat / Muskovit / Kaolinit246
  • 7.5.4 Löslichkeit von Albit als Funktion des pCO2248
  • 7.6 Abhängigkeit der Löslichkeit von Temperatur,Ionenstärke, Druck, Grösse der Partikel249
  • 7.7 Welche feste Phase kontrolliert die Löslichkeit?250
  • 7.7.1 Löslichkeit und Stabilität verschiedener fester Phasen250
  • 7.7.2 Komponenten, Phasen und Freiheitsgrade258
  • 7.8 Sind feste Phasen im Löslichkeitsgleichgewicht?260
  • 7.9 Kinetik der Nukleierung und Auflösungfester Phase263
  • 7.9.1 Theorie des Kristallwachstums263
  • 7.9.2 Nukleierung265
  • 7.9.3 Wachstumskinetik265
  • 7.9.4 Auflösungskinetik267
  • Weiterführende Literatur267
  • Übungen267
  • 8 Redoxprozesse269
  • 8.1 Einleitung269
  • 8.2 Definitionen – Oxidation und Reduktion270
  • 8.2.1 Oxidation und Reduktion270
  • 8.2.2 Die Oxidationszahl271
  • 8.3 Der globale Elektronenkreislauf(Fotosynthese, Respiration)272
  • 8.4 Redox-Gleichgewichte und Redoxintensität274
  • 8.4.1 Redoxintensität und Redoxpotenzial275
  • 8.4.2 Einfluss der Speziierung278
  • 8.5 Einfache Berechnungen von Redoxgleichgewichten279
  • 8.5.1 Doppeltlogarithmisches Diagramm279
  • 286
  • 8.5.3 Redox-Puffer287
  • 8.6 Durch Mikroorganismen katalysierte Redoxprozesse292
  • 8.6.1 Sequenz der Redoxreaktionen unter dem Einflussder Mikroorganismen292
  • 8.6.2 Oxidationsreaktionen durch Mikroorganismen297
  • 8.6.3 Einfluss von Redoxreaktionen auf Säure-Base-Verhältnisse298
  • 8.7 Kinetik von Redoxprozessen298
  • 8.7.1 Oxidation von Fe(II) zu Fe(III) durch O2298
  • 8.7.2 Oxidation von Mn(II)303
  • 8.7.3 Oxidation von Schwefelwasserstoff mit Sauerstoff304
  • 8.8 Oxidation durch Sauerstoff306
  • 8.8.1 Thermodynamische Parameter der Sauerstoffreaktionen306
  • 8.8.2 Wasserstoffperoxid H2O2307
  • 8.8.3 Die Ein-Elektronenschritte bei der Reduktion von O2308
  • 8.8.4 Das Fenton-Reagens309
  • 8.8.5 Singulettsauerstoff309
  • 8.8.6 Kann die Redox-Reaktivität mit Hilfe der Thermodynamik abgeschätztwerden?309
  • 8.9 Fotochemische Redoxprozesse311
  • 8.9.1 Fotochemische Reaktionen in Gewässern311
  • 8.9.2 Lichtabsorption313
  • 8.9.3 Indirekte fotochemische Umwandlungen: Produktion von reaktivenSauerstoffspezies314
  • 8.9.4 Direkte fotochemische Umwandlungen317
  • 8.9.5 Eisenredoxkreislauf unter dem Einfluss von fotochemischenReaktionen317
  • 8.10 Die Messung des Redox-Potenzials in natürlichenGewässern319
  • 8.11 Glaselektrode; ionenselektive Elektroden323
  • Weiterführende Literatur324
  • Übungen325
  • 9 Grenzflächenchemie329
  • 9.1 Einleitung329
  • 9.2 Partikel in natürlichen Gewässern330
  • 9.3 Wechselwirkungen an der Grenzflächezwischen fester Phase und Wasser333
  • 9.3.1 Die koordinative Bindung: Oberflächenkomplexe333
  • 9.3.2 Elektrostatische und andere Wechselwirkungen333
  • 9.3.3 Wechselwirkungen nichtpolarer Verbindungen an Oberflächen334
  • 9.4 Adsorption aus der Lösung335
  • 9.4.1 Adsorptionsisothermen335
  • 9.4.2 Langmuir-Adsorptionsisotherme und Freundlich-Isotherme335
  • 9.4.3 Die Oberflächenspannung338
  • 9.5 Oxidoberflächen: Säure-Base-Reaktionen,Wechselwirkung mit Kationen und Anionen339
  • 9.5.1 Oberflächenkomplexe an Oxidoberflächen339
  • 9.5.2 Säure-Base- und Komplexbildungsreaktionen an Oxidoberflächen341
  • 9.6 Elektrische Ladung auf Oberflächen345
  • 9.6.1 Modelle der Oberflächenladung und der elektrischen Doppelschicht345
  • 9.6.2 pHPZC (pH bei Oberflächenladung null)348
  • 9.7 Modelle für die Oberflächenkomplexbildung349
  • 9.8 Tonmineralien351
  • 9.8.1 Strukturen und funktionelle Gruppen an Oberflächenvon Tonmineralien351
  • 9.8.2 Oberflächenladung und Ionenbindungsvermögen353
  • 9.8.3 Ionenaustauschgleichgewichte354
  • 9.9 Spektroskopische Methoden zur Untersuchungder Strukturen an Oberflächen355
  • 9.10 Oberflächenchemie und Reaktivität;Kinetik der Auflösung359
  • 9.10.1 Oberflächenreaktionen und Auflösung359
  • 9.10.2 Geschwindigkeitsgesetze360
  • 9.10.3 Auflösung von Aluminiumsilikaten364
  • 9.10.4 Katalyse von Redoxprozessen an Oxidoberflächen365
  • 9.10.5 Die Halbleiteroberfläche; ihr Einfluss auf lichtinduzierte Redoxprozesse367
  • 9.11 Kolloidstabilität369
  • 9.11.1 Physikalisches Modell der Kolloidstabilität369
  • 9.11.2 Die chemische Beeinflussung der Oberflächenladung373
  • 9.12 Sorption hydrophober Verbindungen374
  • 9.13 Synthetische Nanopartikel377
  • Weiterführende Literatur378
  • Übungen378
  • 10 Wassertechnologie; Anwendungoberflächenchemischer Prozesse381
  • 10.1 Einleitung381
  • 10.2 Flockung, Koagulation382
  • 10.2.1 Definition der Koagulation382
  • 10.2.2 Al(III) und Fe(III) als Koagulationsmittel383
  • 10.2.3 Entfernung von Huminstoffen und huminähnlichen Verbindungen384
  • 10.2.4 Organische Polyelektrolyte385
  • 10.2.5 Phosphat-Elimination387
  • 10.2.6 Anwendungen der Koagulation in der Abwassertechnologie387
  • 10.2.7 Kinetik der Koagulation388
  • 10.3 Filtration391
  • 10.3.1 Raumfiltration in porösem Medium392
  • 10.3.2 Membranfiltration394
  • 10.4 Flotation395
  • 10.5 Aktivkohleadsorption396
  • 10.5.1 Sorptionsisothermen396
  • 10.5.2 Die Durchbruchskurve397
  • 10.6 Korrosion der Metalle als elektrochemischerProzess398
  • 10.6.1 Thermodynamische Aspekte398
  • 10.6.2 Kathodischer Schutz und anodische Aktivierung399
  • 10.6.3 Passivierung einer Metalloberfläche401
  • Weiterführende Literatur402
  • Übungen402
  • 11 Biogeochemische Kreisläufe einigerElemente405
  • 11.1 Verteilung von Stoffen in der Umwelt405
  • 11.2 Kohlenstoffkreislauf in den Gewässern407
  • 11.2.1 Globaler Kohlenstoffkreislauf407
  • 11.2.2 Kohlenstoffkreislauf in Gewässern408
  • 11.2.3 Zusammensetzung des natürlichen organischen Materials (NOM)409
  • 11.3 Stickstoffkreislauf in Gewässern und Atmosphäre416
  • 11.3.1 Globaler Stickstoffkreislauf416
  • 11.3.2 Die wichtigsten Redoxprozesse im Kreislauf420
  • 11.4 Biogeochemischer Kreislauf des Phosphors423
  • 11.5 Kreisläufe von Metallen in Gewässern424
  • 11.5.1 Einträge von Metallen in Gewässer424
  • 11.5.2 Bindung der Metalle an Liganden, an Partikeloberflächen und an Organismen425
  • 11.5.3 Regulierung von Metallen in Seen und Flüssen426
  • 11.5.4 Spurenmetalle in den Ozeanen429
  • Weiterführende Literatur431
  • Übungen432
  • 12 Anwendungen auf aquatische Systeme433
  • 12.1 See433
  • 12.1.1 Fotosynthetische Produktion und Eutrophierung433
  • 12.1.2 Redoxverhältnisse in eutrophen Seen436
  • 12.1.3 Ausfällung von Calciumcarbonat in Seen440
  • 12.1.4 Sedimentation441
  • 12.2 Fliessgewässer442
  • 12.2.1 Belastungsquellen und Wasserqualität442
  • 12.2.2 Chemische und biologische Prozesse in Fliessgewässern444
  • 12.2.3 Abfluss und Stoffkonzentrationen in Fliessgewässern450
  • 12.3 Grundwasser453
  • 12.3.1 Grundwasser als Trinkwasserreservoir – Belastungsquellen453
  • 12.3.2 Biogeochemische Prozesse bei der Infiltration455
  • 12.3.3 Transport von Schadstoffen im Grundwasser458
  • Weiterführende Literatur463
  • Übungen465
  • Referenzen469
  • Übungslösungen483
  • Index512