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