Aquatische Chemie

Werner Stumm war Professor an der ETH Zürich.

1 Einführung in die chemische Zusammensetzung natürlicher Gewässer 19

1.1 Gewässer als Ökosysteme 19

1.2 Globaler Wasserkreislauf 20

1.3 Chemische Prozesse in den Gewässern 21

1.4 Typische Zusammensetzung verschiedener Gewässer 28

1.5 Wasser und seine einzigartigen Eigenschaften 31

1.6 Wichtige Reaktionstypen in Gewässern 34

Literatur 35

Übungen 37

Anhang Kapitel 1: Einheiten und Konstanten 38

2 Säuren und Basen 43

2.1 Einleitung 43

2.2 Säure-Base-Theorie 44

2.3 Die Stärke einer Säure oder Base 46

2.4 Konzentrationen der einzelnen Spezies als Funktion des pH 51

2.5 Gleichgewichtsberechnungen 52

2.6 pH als Mastervariable: grafische Lösung von Gleichgewichtsproblemen 60

2.7 Säure-Base-Titrationskurven 71

2.8 Säure- und Basen-Neutralisierungskapazität 75

2.9 pH- und Aktivitätskonventionen 75

2.10 Saure atmosphärische Niederschläge 81

Weitergehende Literatur 87

Übungen 87

3 Carbonatgleichgewichte 91

3.1 Carbonatgleichgewichte als Puffersystem der Gewässer 91

3.2 Offenes und geschlossenes Carbonatsystem; Modellsysteme 93

3.3 Alkalinität und Acidität 106

3.4 Pufferintensität des Carbonatsystems 111

3.5 Analytische Bestimmung der Alkalinität und der Acidität 113

Weiterführende Literatur 119

Übungen 120

4 Wechselwirkung Wasser–Atmosphäre 123

4.1 Einleitung 123

4.2 Einfache Gas/Wasser-Gleichgewichte; Bedeutung in der Chemie des Wolkenwassers, des Regens und des Nebelwassers 126

4.3 Die Genese eines Nebeltröpfchens 142

4.4 Aerosole 147

4.5 Ansäuerung und Erholung von Gewässern 149

Weiterführende Literatur 153

Übungen 154

5 Anwendung thermodynamischer Daten und kinetischer Grundlagen 157

5.1 Thermodynamische Daten 157

5.2 Freie Reaktionsenthalpie, chemisches Potenzial und chemisches Gleichgewicht 157

5.3 Umrechnung von Gleichgewichtskonstanten auf andere Temperaturen und Drucke 164

5.4 Kinetische Grundlagen 165

5.5 Elementarreaktionen 171

5.7 Theorie des Übergangszustandes; der aktivierte Komplex 179

5.8 Fallbeispiel: Die Hydratisierung des CO 2 181

5.9 Fallbeispiel: Kinetik der Absorption von CO 2; Gas-Transfer Atmosphäre–Wasser 184

Weiterführende Literatur 188

Übungen 189

6 Metallionen in wässriger Lösung 191

6.1 Einleitung 191

6.2 Koordinationschemie und ihre Bedeutung für die Speziierung der Metallionen in natürlichen Gewässern 192

6.3 Gleichgewichtsberechnungen der Speziierung von Metallionen 199

6.4 Einfache Modelle der Speziierung von Metallen in natürlichen Gewässern 206

6.5 Komplexbildung mit Humin- und Fulvinsäuren 209

6.6 Komplexbildung mit Kolloiden und Partikeln 214

6.7 Löslichkeit von Metallen 214

6.8 Kinetik der Komplexbildung 214

6.9 Speziierung und analytische Bestimmung 218

6.10 Wechselwirkungen von Metallen mit Algen 220

Weiterführende Literatur 226

Übungen 226

7 Fällung und Auflösung fester Phasen 231

7.1 Fällung und Auflösung fester Phasen als Mechanismus zur Regulierung der Zusammensetzung natürlicher Gewässer 231

7.2 Löslichkeitsgleichgewichte von Hydroxiden 234

7.3 Löslichkeitsgleichgewichte von Carbonaten 236

7.4. Löslichkeit von Sulfiden 242

7.5 Löslichkeit von SiO 2 und Silikaten 244

7.6 Abhängigkeit der Löslichkeit von Temperatur, Ionenstärke, Druck, Grösse der Partikel 249

7.7 Welche feste Phase kontrolliert die Löslichkeit? 250

7.8 Sind feste Phasen im Löslichkeitsgleichgewicht? 260

7.9 Kinetik der Nukleierung und Auflösung fester Phase 263

Weiterführende Literatur 267

Übungen 267

8 Redoxprozesse 269

8.1 Einleitung 269

8.2 Definitionen – Oxidation und Reduktion 270

8.3 Der globale Elektronenkreislauf (Fotosynthese, Respiration) 272

8.4 Redox-Gleichgewichte und Redoxintensität 274

8.5 Einfache Berechnungen von Redoxgleichgewichten 279

8.6 Durch Mikroorganismen katalysierte Redoxprozesse 292

8.7 Kinetik von Redoxprozessen 298

8.8 Oxidation durch Sauerstoff 306

8.9 Fotochemische Redoxprozesse 311

8.10 Die Messung des Redox-Potenzials in natürlichen Gewässern 319

8.11 Glaselektrode; ionenselektive Elektroden 323

Weiterführende Literatur 324

Übungen 325

9 Grenzflächenchemie 329

9.1 Einleitung 329

9.2 Partikel in natürlichen Gewässern 330

9.3 Wechselwirkungen an der Grenzfläche zwischen fester Phase und Wasser 333

9.4 Adsorption aus der Lösung 335

9.5 Oxidoberflächen: Säure-Base-Reaktionen,Wechselwirkung mit Kationen und Anionen 339

9.6 Elektrische Ladung auf Oberflächen 345

9.7 Modelle für die Oberflächenkomplexbildung 349

9.8 Tonmineralien 351

9.9 Spektroskopische Methoden zur Untersuchung der Strukturen an Oberflächen 355

9.10 Oberflächenchemie und Reaktivität; Kinetik der Auflösung 359

9.11 Kolloidstabilität 369

9.12 Sorption hydrophober Verbindungen 374

9.13 Synthetische Nanopartikel 377

Weiterführende Literatur 378

Übungen 378

10 Wassertechnologie; Anwendung oberflächenchemischer Prozesse 381

10.1 Einleitung 381

10.2 Flockung, Koagulation 382

10.3 Filtration 391

10.4 Flotation 395

10.5 Aktivkohleadsorption 396

10.6 Korrosion der Metalle als elektrochemischer Prozess 398

Weiterführende Literatur 402

Übungen 402

11 Biogeochemische Kreisläufe einiger Elemente 405

11.1 Verteilung von Stoffen in der Umwelt 405

11.2 Kohlenstoffkreislauf in den Gewässern 407

11.3 Stickstoffkreislauf in Gewässern und Atmosphäre 416

11.4 Biogeochemischer Kreislauf des Phosphors 423

11.5 Kreisläufe von Metallen in Gewässern 424

Weiterführende Literatur 431

Übungen 432

12 Anwendungen auf aquatische Systeme 433

12.1 See 433

12.2 Fliessgewässer 442

12.3 Grundwasser 453

Weiterführende Literatur 463

Übungen 465

Referenzen 469

Übungslösungen 483

Kapitel 1 483

Kapitel 2 483

Kapitel 3 484

Kapitel 4 485

Kapitel 5 486

Kapitel 6 487

Kapitel 7 487

Kapitel 8 488

Kapitel 9 489

Kapitel 10 490

Kapitel 11 490

Kapitel 12 491

Anhang 1: Periodensystem der Elemente 492

Anhang 2: Anwendung von Computerprogrammen zur Lösung von chemischen Gleichgewichtsproblemen 493

Anhang 2.1: Computerprogramme 493

Anhang 2.2: Allgemeines Vorgehen 493

Anhang 2.3: Beispiele 495

Anhang 3: Thermodynamische Daten 500

Index 512