Bundesrealgymnasium Imst Chemie 2010-11 Klasse 4 … · Aerosole sind Träger für wenig flüchtige...

Bundesrealgymnasium Imst

Chemie 2010-11

Klasse 4

Umweltchemie

Dieses Skriptum dient der Unterstützung des Unterrichtes - es kann den Unterricht aber nicht ersetzen, da im Unterricht der Lehrstoff detaillierter aufgearbeitet wird, als dies im Skriptum der Fall ist. Ergänzungen zum Skriptum werden während des Unterrichts durchgeführt. In diesem Skriptum sind nur wenige Diagramme und Zeichnungen enthalten. Die fehlenden Diagramme werden im Unterricht erarbeitet.

Inhalt

7 Umweltchemie ................................................................................................................. 18 7.1 Umweltbereich Luft ................................................................................................. 18

7.1.1 Aufbau der Atmosphäre ..................................................................................... 18 7.1.2 Zusammensetzung der Atmosphäre ................................................................... 18

7.1.3 Schäden durch Luftverunreinigungen ................................................................ 19

7.1.4 Kohlenstoffdioxidkreislauf ................................................................................. 19 7.1.5 Treibhauseffekt ................................................................................................... 20 7.1.6 Schwefelverbindungen ....................................................................................... 20 7.1.7 Ozon in der Stratosphäre .................................................................................... 21 7.1.8 Aerosole ............................................................................................................. 22

7.2 Umweltbereich Wasser ............................................................................................ 23 7.2.1 Physikalische Eigenschaften .............................................................................. 23 7.2.2 Wasserkreislauf .................................................................................................. 25 7.2.3 Trinkwasser ........................................................................................................ 26 7.2.4 Wasserhärte ........................................................................................................ 26 7.2.5 Oberflächenwasser ............................................................................................. 27 7.2.6 Wasserbelastungen ............................................................................................. 28 7.2.7 Abwasser ............................................................................................................ 29

Chemie Klasse 4 Umweltchemie

Dr. K.-H. Offenbecher Seite 18

7 Umweltchemie

7.1 Umweltbereich Luft

7.1.1 Aufbau der Atmosphäre

Die gasförmige Hülle eines Himmelskörpers wird als Atmosphäre bezeichnet. Auf der Erde ist dies die Lufthülle. Für die Gesamthöhe der Atmosphäre nimmt man einen Wert von 80000 km an! Umweltrelevante und biologische Prozesse finden in der untersten Schicht, der Troposphäre statt. Meteorologische Erscheinungen findet man auch in der Stratosphäre und der Mesosphäre bis ca. 80 km Höhe. Entsprechend dem Temperaturverlauf wird die Atmosphäre mit zunehmender Höhe in Troposphäre, Stratosphäre, Mesosphäre und Thermospäre eingeteilt. Die Übergangsbereiche werden entsprechend als Tropopause, Stratopause und Mesopause bezeichnet. Betrachtet man die Verteilung der Gase in der Atmosphäre, kann diese in eine untere Schicht, der Homosphäre und eine höhere Schicht, der Heterosphäre. Weitere Kenngrößen für die Unterteilung der Lufthülle sind z. B. die Ionisierung (Neutrosphäre, Ionosphäre, Protonosphäre) oder der Einfluss des Magnetfeldes.

7.1.2 Zusammensetzung der Atmosphäre

Die Atmosphärenchemie beschäftigt sich mit den chemischen Aspekten, die die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre bestimmen. Die Atmosphäre ist trotz einer scheinbar nahezu unveränderlichen Zusammensetzung ein dynamisches System. Die gasförmigen Komponenten sind stets miteinander in Wechselwirkung, es werden Stoffe gebildet und abgebaut. Die Atmosphäre besteht in der Nähe der Erdoberfläche hauptsächlich aus drei Bestandteilen, die bei trockener Luft 99,9 % des Volumens ausmachen. Das sind:



Stickstoff N2 78,084 % Sauerstoff O2 20,946 % Argon Ar 0,934 % Darüber hinaus enthält Luft noch eine ganze Reihe von Spurengasen. Kohlenstoffdioxid CO2 370 ppm (parts per million, ein Teilchen pro Million) Neon Ne 18,18 ppm Helium He 5,24 ppm Methan CH4 1,75 ppm Krypton Kr 1,14 ppm Wasserstoff H2 0,5 ppm Distickstoffoxid N2O 0,3 ppm Der Weg eines Schadstoffes wird durch drei Grundbausteine beschrieben: Emission Transmission Deposition (Immision) Quelle � Atmosphäre � Biosphäre (Senke) Sender Empfänger Emission (lat. emissio) bezeichnet den Übertritt oder Ausstoß von luftverunreinigenden Stoffen wie Staub, SO2, CO oder NOx aus den entsprechenden Emissionsquellen (z. B. Vulkane, Pflanzen, Verbrennungsmotoren

Die Transmission (lat. transmissio) bezeichnet die Vorgänge, die zur Veränderung der räumlichen Lage und der Verbreitung von Stoffen in der Atmosphäre führen.

Die Schadstoffe erreichen ein anderes Kompartiment der Umwelt und werden dort deponiert (lat. deponere). Empfänger sind alle Bereiche der Biosphäre (Boden, Wasser, Pflanzen)

7.1.3 Schäden durch Luftverunreinigungen

Die Luft enthält Luftverunreinigungen, unerwünschte Stoffe oder Stoffgemische, die infolge natürlicher Vorgänge oder menschlicher Tätigkeiten in die Atmosphäre gelangen oder dort entstehen. Sie haben nachteilige Wirkungen auf den Menschen und seine Umwelt. Luftverunreinigungen machen nur 0,04 % oder 400 ppm des Volumens der Atmosphäre aus. 90 % dieser Verunreinigungen bestehen aus CO2, NOx, CO und SO2 Luftverunreinigungen können auf vielfältige Weise schädigend auf die Umwelt einwirken. Säure- oder Schwermetallbelastungen können gemessen werden. Andere Auswirkungen z. B. gesundheitliche Schädigungen sind teilweise schwer bewertbar. Unter anderem können - die Gesundheit von Tieren und Menschen beeinträchtigt oder Leben gefährdet werden. Insbesondere bei Kindern - Schäden an der Vegetation und Boden hervorgerufen - Material verschmutzt, dessen Qualität verschlechtert oder erhebliche Materialschäden verursacht werden - die Sicht beeinträchtigt und die Sonneneinstrahlung reduziert werden - das Klima beeinflusst werden

7.1.4 Kohlenstoffdioxidkreislauf

CO2 ist energetisch die stabilste Verbindung, die am Kohlenstoffkreislauf beteiligt ist.



Täglich atmet der Mensch ca. 700 g CO2 aus (4 Vol%). Der MAK – Wert liegt bei 9g/m³ und wirkt erst ab 20 Vol% tödlich. Da CO2 schwerer als Luft ist (1,977 kg/m³) sammelt es sich in Höhlen und tief liegenden Stellen an. CO2 ist der Rohstoff für die Bildung organischer Substanzen durch Photosynthese. Eine Konzentrationserhöhung führt bei den meisten Pflanzen zu einem verstärkten Wachstum. Die Lufthülle der Erde enthält ca. 2,35 Tt (Teratonnen, 1012 t, Billion Tonnen) CO2, die Ozeane 130 Tt hauptsächlich in der Form von Hydrogencarbonat HCO3

-. CO2 ist in vielen Mineralwässern enthalten und bewirkt den säuerlichen Geschmack. In chemisch gebundener Form liegt CO2 vor allem in Carbonaten, CaCO3 und MgCO3 vor. Das CO2 der Atmosphäre ist an mindestens zwei Kreisläufen beteiligt. Der biosphärische Kreislauf wird bestimmt durch die Geschwindigkeit der Photosynthese in der Biosphäre sowie durch die Geschwindigkeit der Mineralisation der toten Biomasse, also ihrer Umwandlung in anorganische Verbindungen wie CO2 und H2O. Dabei wird CO2 etwa einmal alle fünf Jahre umgesetzt. Der geochemische Kreislauf hängt vor allem vom Austausch von Kohlenstoff zwischen der Atmosphäre und dem Tiefenwasser der Ozeane und dem Sediment ab. Der Austausch dauert ungefähr 120 Jahre.

7.1.5 Treibhauseffekt

Wenn es keine Atmosphäre geben würde, läge die Durchschnittstemperatur bei -18 °C. Die mittlere globale Temperatur liegt aber bei +15 °C. Svante Arrhenius hat 1896 hat in diesem Zusammenhang den Begriff des Treibhauseffekts geprägt.

7.1.6 Schwefelverbindungen

London-Smog Am 5. Dezember 1952 zog in London aufgrund einer Inversionswetterlage extremer Nebel auf. In diesem Nebel stiegen die Konzentrationen bei SO2 von üblichen 0,07…0,23 ppm auf



1,3 ppm und beim Staub von 0,12…0,44 mg/m³ auf 6 mg/m³. Innerhalb weniger Tage starben 4000 Menschen an den Folgen der Smog-Katastrophe. In feuchter Luft (Nebel) oxidiert SO2 zu H2SO4. Zusammen mit Ruß und Schwefelsäure bildet das einen starken Reizstoff für die Atemwege. Pflanzen reagieren sehr viel empfindlicher auf dieses Gemisch. Saurer Regen Die wichtigsten Selbstreinigungsprozesse der Atmosphäre werden durch Regen und andere Niederschläge eingeleitet. Je feiner die Tropfen des Niederschlags sind, desto mehr Schadstoffe werden mitgerissen. Werden Schadstoffe durch fallende Tropfen mitgerissen, spricht man von Auswaschen. Führen die Stoffe selbst als Kondensationskeime zur Tropfenbildung und fallen mit diesen zu Boden spricht man von Ausregnen. Saurer Regen hat einen pH-Wert von 4 – 4,5. CO2 könnte den pH-Wert nur auf ca. 5,5 senken. Die starke Acidität wird durch das Vorhandensein starker Säuren, vor allem Schwefelverbindungen, erreicht. In Gewässern kann das zur Übersäuerung führen und bei pH-Werten <5 verenden dann die meisten Fischarten. Waldschäden Neuartige Waldschäden gehen auf viele Ursachen aus biotischen und abiotischen Faktoren zurück. Anthropogene Luftverunreinigungen spielen dabei eine Schlüsselrolle. Das sind unter anderem SO2, NOx, HCl, O3 und NH3. Vermutete Ursachen der Waldschäden sind: Klima: Temperatur, Trockenheit, Wind, Schneelast, Frostrisse, fehlende Feuer (Verjüngung), Nährstoffauswaschung (Erosion) Immisionen: Saure und basische I.: Schwefeloxide, Stickstoffoxide, Chlorwasserstoff, Fluorwasserstoff, Schwefel-, Salpeter- und Halogenwasserstoff, Ammoniak. Sonstige anorganische Stoffe: Schwermetalle, Blei, Fluoride, Streumittel Organische Stoffe: PAK, Herbizide, Organobleiverbindungen, Methylquecksilber, Nitrophenol Photooxidantien: Ozon, Wasserstoffperoxid, Peroxide, Hydroxl-Radikale Strahlung: UV-Strahlung, radioaktive Strahlung Schadorganismen: Viroide, Viren, Bakterien, Pilze, Insekten, Würmer, Wildverbiss Bewirtschaftung: Boden: Bodenverfestigung, Bodenversiegelung, Standortwahl, Düngung, Nährstoffentzug Biozönose: Monokulturen, Baumartenwahl, Wildbestände, mangelnde Sturmwurf- und Unterholzbeseitigung

7.1.7 Ozon in der Stratosphäre

Sauerstoff kommt in der Atmosphäre atomar (angeregt und im Grundzustand), molekular O2 und als Ozon O3 vor. Da die Stoffe, mit denen O3 reagiert sehr lange bis in die Stratosphäre benötigen, muss zwischen den Reaktionen in Bodennähe und in hohen Lagen unterschieden werden. Ozon kommt in erhöhten Konzentrationen zwischen 15 und 50 km Höhe vor. In ca. 30 km Höhe ist der absolute Ozongehalt und der Volumenanteil am größten. Dort ist die Ozonschicht festgelegt worden. Gründe für die Ozonanreicherung sind: -In dieser Höhe ist der Gehalt von O2 hoch und der von O niedrig. Dadurch wird die Reaktion:

O2 + O + M � O3 + M



bevorzugt. -Diese Reaktion wird mit zunehmender Höhe durch die zunehmende Intensität der Sonneneinstrahlung gefördert. -In dieser Höhe ist auch die Konzentration von Stoßpartnern groß genug, damit Energie übertragen werden kann. Ozonloch Der Ozongehalt in der Atmosphäre ist von der geographischen Breite abhängig und unterliegt tageszeitlichen und jahreszeitlichen Schwankungen. Der Abfall der Konzentration auf die Hälfte in kurzer Zeit wird als Ozonloch bezeichnet. Die Konzentration von Ozon wird in Dobson-Einheiten DE gemessen (DU = Dobson-Units).

7.1.8 Aerosole

Aeorosole (lat.: aer, Luft; Sole, Lösung) sind kolloide Systeme. Sie bestehen aus Gasen und fein verteilten festen und flüssigen Schwebstoffen (Durchmesser: 0,01 – 1 µm). Aufgrund der Gravitation sinken diese Teilchen unterschiedlich schnell (Größe, Konzentration, Dichte) nach unten und sedimentieren. Aerosole sind Träger für wenig flüchtige umweltschädliche, giftige Verbindungen wie Schwermetalle oder organische Verbindungen wie PAK. Sie können wie Gase in Atemwege eindringen und sind dort oft wirkungsvoller als gasförmige Verunreinigungen. Ein Aerosol mit besonderer Bedeutung für die Innenraumluft ist Tabakrauch, der beim Abbrand (Verbrennen und Verkohlen) von Tabak oder einigen anderen Stoffen entsteht. Man unterscheidet den Hauptstromrauch, der vom Raucher eingeatmet wird und dem Nebenstromrauch, der im Bereich des Mundstücks und in Rauchpausen aus der Zigarette austritt, bzw. nach dem Filtern in der Lunge vom Raucher ausgeatmet wird.



7.2 Umweltbereich Wasser Die Erde ist der einzige Planet im Sonnensystem, dessen Oberfläche größtenteils mit flüssigem Wasser bedeckt ist. Es kommt in allen drei Aggregatszuständen vor. - In flüssiger Form kommt Wasser vor allem in Ozeanen, oberirdischen Fließgewässern und Grundwasser vor. - Gasförmiges Wasser ist mit einem Volumenanteil von ca. 0,1 – 4 % Bestandteil der Troposphäre, - In den Polarregionen sind große Mengen Wasser in fester Form gebunden. Wasser hat zahlreiche wichtige Aufgaben: - es ist Lebens- und Reinigungsmittel - in der Industrie wird Wasser als Kühlmittel, Rohstoff oder Reaktionsmedium verwendet - Wasser dient der Ver- und Entsorgung, Verkehr und Transport - als Wärmeregulator ist Wasser maßgeblich an der Klimasteuerung beteiligt - bei der Photosynthese ist Wasser eines der beiden wichtigsten Reaktionsmittel und somit die Grundlage des meisten irdischen Lebens

7.2.1 Physikalische Eigenschaften

H2O hat zahlreiche ungewöhnliche physikalisch-chemische Eigenschaften (Anomalien), die es von den analog aufgebauten Verbindungen H2S, H2Se und H2Te unterscheidet. Im Gegensatz zu Wasser sind die genannten Wasserstoffverbindungen unter Normalbedingungen Gase. Würde man Schmelz- und Siedepunkte dieser Verbindungen auf Wasser extrapolieren, ergäbe sich ungefähr – 90 °C und – 60 °C. Auch sind diese Verbindungen toxisch, Wasser hingegen ist ein Hauptbestandteil der Körperflüssigkeiten aller Lebewesen.

Für das Verhalten von Wasser in seiner Umwelt ist eine Anomalie in der Temperaturabhängigkeit seiner Dichte von Bedeutung. Während sich fast alle Flüssigkeiten beim Gefrieren zusammenziehen, dehnt sich Wasser aus. Die höchste Dichte liegt bei 4 °C. Deshalb schwimmt Eis auf dem Wasser und es gefriert von der Oberfläche nach unten.

Schmelz und Siedepunkte von H2O, H2S, H2Se und H2Te

H2Te

H2SeH2S

H2O

-100

-60

-20

20

60

100

0 30 60 90 120 150

molare Masse

Tem

per

atu

r



O und H haben unterschiedliche Elektronegativitäten (3,5 bzw 2,2). Die O-H Bindung ist deswegen polarisiert. Das H2O Molekül ist gewinkelt und bildet einen Dipol. Wasser hat eine der höchsten Dielektrizitätskonstanten, was von großer Bedeutung für die Löseeigenschaften für polare Stoffe ist. Physikalische Eigenschaften von Wasser und deren Bedeutung für die Umwelt Eigenschaften Bemerkung Bedeutung für die Umwelt Dichte Schmelz- und Siedepunkt Wärmekapazität Wärmeleitfähigkeit Verdampfungs-enthalpie Schmelzenthalpie Oberflächen-spannung Dipolmoment Dielektrizitäts-konstante Lichtabsorbtion

Größte Dichte bei 4 °C (oberhalb des Gefrierp.), Volumenausdehnung beim gefrieren um ca. 10 % Außerordentlich hoch Größte Wärmekapazität aller Flüssigkeiten [75,366 kj/(k mol)] Gering Größte V. aller Flüssig-keiten [2281,9kj/mol] 6,01 kj/mol Größte Oberflächen-spannung aller Flüssigkeiten [72 mN/m bei 20 °C] (Ausgenommen Hg) Hohes Dipolm. [1,85 D] sehr hohe Dielektrizitäts-konstante [ε = 80,08 bei 20 °C] Hoch in großen Bereichen der IR; bei 180 – 780 nm durchlässig, niedrig im sichtbaren Bereich

Seen frieren von der Oberfläche her zu; am Grund bleibt die Temperatur konstant (4 °C); Umschichtung des Wassers im Frühjahr und im Herbst. Ermöglicht die Existenz von flüssigem Wasser an der Erdoberfläche. Puffert gegen extreme Temperaturschwankungen; speichert große Wärmemengen bei geringer Temperaturdifferenz (Ozeane und Seen dienen als Wärmespeicher) Erschwert vollständiges Zufrieren Kühlender Effekt der Transpiration bei Lebewesen bei geringem Wasserverlust Geringe Gefrierpunktserniedrigung bei salzhaltigem Wasser, Ausbildung einer Eisschicht nahe 0 °C (Schutz). Erleichtert Tropfenbildung in Wolken Hervorragendes Lösungsmittel für polare Stoffe und Salze; Transport gelöster Stoffe im hydrologischen Kreislauf und in Lebewesen; Wasser wird vom Boden adsorbiert und für Pflanzen zurückgehalten. Wichtig für die Regulierung der biologischen Aktivitäten (Photosynthese) und die atmosphärische Temperatur (Erwärmung von Oberflächengewässern; natürlicher Treibhauseffekt



Die ungewöhnlichen Eigenschaften des Wassers, wie die Dichteanomalie und die thermischen Eigenschaften, werden auf seine Fähigkeit, Wasserstoffbrückenbindungen auszubilden, zurückgeführt. Darunter versteht man die Wechselwirkung der beiden freien Elektronenpaare am Sauerstoffatom mit anderen Wasserstoffatomen oder Wassermolekülen. Ein Wassermolekül kann durch seine beiden Wasserstoffatome und die Elektronenpaare vier Brückenbindungen aufbauen: tetraedrische Nahordnung

Bereich der Hydrosphäre Wasservolumen [106 km²]

Weltmeere Eis und Schnee (Polkappen) Grundwasser Oberflächenwasser (Seen und Flüsse) Atmosphäre Biospäre

1370 29 9,5 0,13 0,013 0,0006

7.2.2 Wasserkreislauf

Wasser bleibt nicht an einer Stelle sondern ist immer in Bewegung. Dieser Wasserkreislauf (hydrolytischer Zyklus) wird durch die Sonneneinstrahlung in Gang gehalten. Das Wasser aus Meeren, anderen freien Wasserflächen, der Erdoberfläche und von Pflanzen verdunstet in die Atmosphäre, wird dort wegtransportiert und gelangt als Niederschlag wieder zurück zur Erde. Von da fließt es wieder zurück ins Meer oder gelangt ins Grundwasser. Insgesamt verdunsten im Jahr 496000 km³ Wasser. Die Verweilzeit in den verschiedenen Reservoiren unterscheidet sich stark. In der Atmosphäre bleibt Wasser ca. 8 Tage, im Ozean 1700 – 3000 Jahre.



7.2.3 Trinkwasser

Der tägliche Wasserbedarf eines Menschen beträgt ca. 35g/kg. Bei einem Körpergewicht von 70 kg sind das 2,5 L. Destilliertes Wasser (reines H2O) ist für Menschen gesundheitsschädlich. Es sind kleine Mengen an anorganischen Stoffen, die die Trinkwasserqualität ausmachen. Danach werden auch Mineral- und Heilwässer eingeteilt. Während in vorindustrieller Zeit der Wasserbedarf bei 10 – 30 Liter pro Person lag, beträgt er heute ca. 130 L. 5 % werden zum Kochen und Trinken verwendet. Rechnet man noch den Verbrauch öffentlicher Einrichtungen auf die Bevölkerung um, liegt der Wasserverbrauch pro Person bei 325 Liter! Der größte Teil dieser Wassermenge gelangt als Abwasser wieder in die Gewässer zurück. Die im Abwasser enthaltenen Schmutz- und Schadstoffe müssen dann wieder aufwändig entfernt werden. Trinkwasser ist Wasser, das für den menschlichen Genuss und Gebrauch geeignet ist. Es muss bestimmte Güteeigenschaften erfüllen, die in der Trinkwasser-Richtlinie (98/83/EG) festgelegt sind. Die Grundanforderungen an Trinkwasser sind: - frei von Krankheitserregern - keine gesundheitsschädigenden Eigenschaften - keimarm, appetitlich, farblos, kühl, geruchlos, geschmacklich einwandfrei - nur geringer Gehalt an gelösten Stoffen Natürliche Verunreinigungen sind zum Beispiel Algen oder Schwebstoffe, anthropogene Belastungen sind hauptsächlich Nitrat und Pflanzenschutzmittel. Erlaubte Maximalkonzentrationen sind z. B. Blei 10 µg/L Cadmium 5 µg/L Quecksilber 1,0 µg/L Fluorid 1,5 µg/L Nitrat 50 mg/L Nitrit 0,5 mg/L Benzen C6H6 1,0 µg/L PAK 0,1 µg/L

7.2.4 Wasserhärte

Mit dem Begriff der Wasserhärte werden wichtige Eigenschaften von Wasser charakterisiert. Unter der Gesamthärte (temporär) versteht man versteht man die Konzentrationen von Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+. Im Allgemeinen besteht die Gesamthärte zu 70 – 85 % aus Calcium- und zu 15 – 30 % aus Magnesiumhärte. Unter Carbonathärte versteht man denjenigen Teil, der durch Kochen entfernt werden kann. Der pH – Wert der meisten Wässer liegt zwischen 4,3 und 8,2. Dabei liegt gelöstes Hydrogencarbonat vor c(HCO3

-) Beim Kochen wird CO2 ausgetrieben. 2 HCO3

- � CO32- + CO2↑ + H2O

Das entstandene Carbonat bildet mit Calcium-Ionen Calziumcarbonat, welches kaum löslich ist. Ca2+ + CO3

2- � CaCO3↓



Exkurs Kesselstein In Dampfkesseln, wo bei hohen Temperaturen und Drücken Hydrogencarbonate zersetzt werden, spielt die Wasserhärte eine entscheidende Rolle. Es bilden sich schwer lösliche Carbonate (Kesselstein) entsprechend der genannten Gleichungen. Magnesium kann noch weiter reagieren: MgCO3 + H2O � Mg(OH)2 + CO2 Dabei bildet sich Kohlendioxid und das Wasser wird sauer. Die Gefahr der Korrosion steigt. Durch Gipsanteile und Silikate kann die Härte von Kesselstein die von Porzellan erreichen. Wasser kann durch verschiedene Verfahren enthärtet werden. - Ionenaustausch-Verfahren Calcium kann mithilfe eines Natriumaustauschers Na2A entfernt werden. Nach diesem Prinzip wirken in Waschmitteln die Phosphatersatzstoffe, Zeolithe. Na2A + Ca(HCO3)2 � CaO + 2 NaHCO3

Na2A + CaCO3 � CaO + Na2CO3 - Zur Vollentsalzung (Demineralisation) kommen hauptsächlich zwei Verfahren zur

Anwendung. -- in Ionentauschern werden stark saure H-Ionenaustauscher und stark basische OH-Ionenaustauscher in Kombination verwendet.

- -- zur Meerwasserentsalzung kommen hauptsächlich Membranverfahren wie die Umkehrosmose zur Anwendung.

Zeolithe: Silikate, die Ca2+ und Mg2+ Ionen in die in ihrer Struktur vorhandenen Hohlräume einlagern. Um aus Wasser Trinkwasser zu gewinnen muss dieses desinfiziert – entkeimt – werden. Dafür stehen drei Verfahren zur Verfügung:

- Chlorung mit elementarem Chlor. Dabei entsteht Hypochlorid - Cl2 + H2O � Cl- + OCl- + 2 H+ - Ein anderes Verfahren besteht aus der Verwendung von Chlordioxid, das aus

Natriumchlorit und Chlorgas gewonnen wird. - 2 NaClO2 + Cl2 � 2 NaCl + 2 ClO2 - Bei der Ozonierung werden auch Viren deaktiviert. Das Wasser muss jedoch für das

Rohrleitungsnetz zusätzlich gechlort werden (Sicherheitschlorung). Bei dieser Methode können allerdings toxische Nebenprodukte entstehen.

Die sicherste Entkeimung wird erreicht, wenn das Wasser so stark gechlort wird, dass nach der Behandlung noch Reste an freiem Chlor im Wasser bleiben (0,1 – 0,2 mg/L). Dabei können jedoch gesundheitsgefährdende Chlorphenole und Chloralkane entstehen.

7.2.5 Oberflächenwasser

Unter Gewässern versteht man in der Natur fließende (Flüsse, Bäche) oder stehendes Wasser (Seen, Teiche, Weiher) auf dem Festland oder Grundwasser. Hinzu kommen die Ozeane, die vor allem am globalen Kohlenstoffkreislauf maßgeblich beteiligt sind. Ozeane kann man sich im vereinfachten Modell in einem Drei-Schichten-Modell vorstellen. Vergleich der mittleren chemischen Zusammensetzung von Oberflächenwässern und Meerwasser Komponente Süßwasser Meerwasser Konzentration c [mmol(L] HCO3

- 0,25 – 4 2,5 Ca2+ 0,05 – 3 10 H4SiO4 0,06 – 0,6 0,08

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Mg2+ 0,02 – 1,6Cl- 0,02 – 2Na+ 0,02 – 2,5

7.2.6 Wasserbelastungen

Nährstoffe sind bei typischen Pflanzen Mineralstoffe und einige Spurenelemente. Dazu gehören vor allem Kohlenstoff, Stichstoff und Phosgenannten Stoffe führt zu einer Überdüngung von Oberflächengewässern. Diese Art der Belastung wird als EutrophierungDieses Nährstoffüberangebot führt zu schnellerem Algenwachstum dringt in die tieferen Wasserschichten weniger Sauerstoff wird produziert verbrauchen den restlichen Sauerstoff Fischsterben. Im Extremfall kann dies zum Umkippen eines Gewässers führen Stickstoffhaltige Stoffe stammen vor allem aus der Landwirtschaft durch DünViehhaltung. Phosphor wird vor allem durch die Landwirtschaft und den Haushalten in die Gewässer eingetragen. Salze, wie Chloride (Cl-), Nitratevielen Prozessen bei Produktion und RohstoffgewWasserlöslichkeit können sie häufig nur durch aufwendige physikalischVerfahren aus dem Trinkwasser entfernt werden. Zu den Wasserbelastungen zählen auch Schwermetalle. Sie werden von den Schwebstoffen im Wasser adsorbiert und sedimentieren in geeigneten Zonen in Gewässern. Wasserorganismen reagieren empfindlich auf Schwermetalle.

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1,6 50 2 500 2,5 500

Wasserbelastungen

Nährstoffe sind bei typischen Pflanzen Mineralstoffe und einige Spurenelemente. Dazu gehören vor allem Kohlenstoff, Stichstoff und Phosphor. Ein Überangebot der beiden letzt genannten Stoffe führt zu einer Überdüngung von Oberflächengewässern. Diese Art der

Eutrophierung bezeichnet (griech.: eutrophia, Wohlgenährtheit).Dieses Nährstoffüberangebot führt zu schnellerem Algenwachstum � weniger Sonnenlicht dringt in die tieferen Wasserschichten � dort wird die Photosynthese beeinträchtigt weniger Sauerstoff wird produziert � zunehmend absterbende und sinkende Organismen

rbrauchen den restlichen Sauerstoff � für höhere Lebewesen ist kein Sauerstoff mehr da

Im Extremfall kann dies zum Umkippen eines Gewässers führen � anaerober AbbauStickstoffhaltige Stoffe stammen vor allem aus der Landwirtschaft durch Dün

Phosphor wird vor allem durch die Landwirtschaft und den Haushalten in die Gewässer

Nitrate (NO3-), Sulfate (SO4

-) und Phosphatevielen Prozessen bei Produktion und Rohstoffgewinnung an. Wegen ihrer meist guten Wasserlöslichkeit können sie häufig nur durch aufwendige physikalischVerfahren aus dem Trinkwasser entfernt werden. Zu den Wasserbelastungen zählen auch Schwermetalle. Sie werden von den Schwebstoffen

er adsorbiert und sedimentieren in geeigneten Zonen in Gewässern. Wasserorganismen reagieren empfindlich auf Schwermetalle.

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Nährstoffe sind bei typischen Pflanzen Mineralstoffe und einige Spurenelemente. Dazu phor. Ein Überangebot der beiden letzt

genannten Stoffe führt zu einer Überdüngung von Oberflächengewässern. Diese Art der bezeichnet (griech.: eutrophia, Wohlgenährtheit).

weniger Sonnenlicht dort wird die Photosynthese beeinträchtigt �

zunehmend absterbende und sinkende Organismen für höhere Lebewesen ist kein Sauerstoff mehr da �

anaerober Abbau Stickstoffhaltige Stoffe stammen vor allem aus der Landwirtschaft durch Düngen und

Phosphor wird vor allem durch die Landwirtschaft und den Haushalten in die Gewässer

Phosphate (PO43-) fallen in

innung an. Wegen ihrer meist guten Wasserlöslichkeit können sie häufig nur durch aufwendige physikalisch-chemischen Verfahren aus dem Trinkwasser entfernt werden. Zu den Wasserbelastungen zählen auch Schwermetalle. Sie werden von den Schwebstoffen

er adsorbiert und sedimentieren in geeigneten Zonen in Gewässern.

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Hintergrundbelastung von Gewässern:Element Wasser [µg/L]Pb 0,1 Cd 0,08 Cu 0,2 Ni 0,2 Hg < 0,23 < 0,04 (org)Zn 0,2

7.2.7 Abwasser

Abwasser ist jedes durch häuslichen, gewerblichen, industriellen, landwirtschaftlichen und sonstigen Gebrauch in seinen natürlichen Eigenschaften veAbwasserkanalisation gelangtes Wasser, auch abfließender Regen. Die mineralischen und organischen Schmutzstoffe im Abwasser lassen sich in absetzbare Stoffe, nicht absetzbare Schwebepartikel und gelöste Stoffe unterteilen. Mehr als die Hälfte des Abwassers ist Kühlwasser. Kühlwasser enthält normalerweise keine anorganischen oder organischen Verunreinigungen, ist aber erwärmt. Je nachdem, wo Abwasser entsteht, unterscheidet man zwischen industriellem und kommunalen Abwasser. Es besteht- der Direkteinleitung - der Indirekteinleitung Der Abwasseranfall liegt pro Tag und Einwohner bei 100 Drittel stammt as den Haushalten. Unter Abwasserreinigung versteht man alle Techniken, die dazu beitragen, den Gehalt an unerwünschten Abwasserinhaltsstoffen durch biologische, chemische und mechanische Verfahren zu verringern. In Extremfällen kommen weitere Verfahren wie Destillation, Umkehrosmose, ElektrodialIonenaustausch und Adsorption zur Anwendung.Schematischer Aufbau eines Klärwerks mit drei Aufbereitungsstufen:

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Hintergrundbelastung von Gewässern: Wasser [µg/L] Schwebstoff [mg/L] 12,5 – 50 0,15 – 0,6 10 – 40 15 – 60 0,1 – 0,4

< 0,04 (org) 50 – 200

ist jedes durch häuslichen, gewerblichen, industriellen, landwirtschaftlichen und sonstigen Gebrauch in seinen natürlichen Eigenschaften verändertes und in die Abwasserkanalisation gelangtes Wasser, auch abfließender Regen. Die mineralischen und organischen Schmutzstoffe im Abwasser lassen sich in absetzbare Stoffe, nicht absetzbare Schwebepartikel und gelöste Stoffe unterteilen.

e Hälfte des Abwassers ist Kühlwasser. Kühlwasser enthält normalerweise keine anorganischen oder organischen Verunreinigungen, ist aber erwärmt. Je nachdem, wo Abwasser entsteht, unterscheidet man zwischen industriellem und kommunalen Abwasser. Es besteht die Möglichkeit

Der Abwasseranfall liegt pro Tag und Einwohner bei 100 – 250 Liter (Mitteleuropa). Ca. ein Drittel stammt as den Haushalten.

versteht man alle Techniken, die dazu beitragen, den Gehalt an unerwünschten Abwasserinhaltsstoffen durch biologische, chemische und mechanische

In Extremfällen kommen weitere Verfahren wie Destillation, Umkehrosmose, ElektrodialIonenaustausch und Adsorption zur Anwendung. Schematischer Aufbau eines Klärwerks mit drei Aufbereitungsstufen:

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ist jedes durch häuslichen, gewerblichen, industriellen, landwirtschaftlichen und rändertes und in die

Abwasserkanalisation gelangtes Wasser, auch abfließender Regen. Die mineralischen und organischen Schmutzstoffe im Abwasser lassen sich in absetzbare Stoffe, nicht absetzbare

e Hälfte des Abwassers ist Kühlwasser. Kühlwasser enthält normalerweise keine

Je nachdem, wo Abwasser entsteht, unterscheidet man zwischen industriellem und

250 Liter (Mitteleuropa). Ca. ein

versteht man alle Techniken, die dazu beitragen, den Gehalt an unerwünschten Abwasserinhaltsstoffen durch biologische, chemische und mechanische

In Extremfällen kommen weitere Verfahren wie Destillation, Umkehrosmose, Elektrodialyse,



In der mechanischen Stufe werden schwimmende Feststoffe durch Rechen oder Siebe aus dem Wasser entfernt. Schnell absetzbare feinkörnige Feststoffe scheiden sich in einem Sandfang ab. Im anschließenden Vorklärbecken sollen die organischen Stoffe durch Sedimentation abgeschieden werden. In dieser Stufe werden bis zu 65 % der Schwebstoffe entfernt. Organische Schmutzstoffe werden in der biologischen Abwasserreinigung durch Mikroben abgebaut. Im Belebtschlammbecken wird der suspendierte und gelöste Schmutz durch aerobe Bakterien und andere Kleinlebewesen in absetzbaren Schlamm umgewandelt. Die Bakterien bauen organische Substanzen durch ihren Stoffwechsel ab. Dieser Stoffwechsel läuft bei Temperaturen von 5 °C – 33 °C ab und es können viele verschiedene organische Stoffe bis zum CO2 oxidiert werden. Danach sind ca. 90 % der betreffenden Stoffe entfernt. In der chemischen Abwasserreinigung werden verschiedene Methoden angewendet: - Flockung und Fällung - oxidative Entfernung organischer Stoffe mit H2O2 oder Aktivkohle - Fällung von Phosphaten Geruchsbildung im Abwasser ist auf Sauerstoffmangel zurückzuführen, der durch Sulfat-reduzierende Bakterien verursacht wird. Durch deren anaeroben Abbau wird Sulfat zu Sulfit oder H2S reduziert. SO4

2- + 8 H+ + 8 e- � H2S + 2 H2O + 2 OH-

SO42- + 8 H+ + 8 e- � S2- + 4 H2O

Sulfide und H2S sind geruchsbelästigend und toxisch. Andere Stoffe gelangen gar nicht in die Kläranlage: - Dünger und Schädlingsbekämpfungsmittel - Kohlenwasserstoffe - Schwermetalle (Blei) - Nitrate und Sulfate aus der Luft - Auslaugungen aus Abraumhalden und Mülldeponien - Säureabwässer und salzhaltige Abwässer Nitrat NO3

- ist ein wasserlöslicher mineralischer Nährstoff, der als Dünger dem Boden zugeführt wird. Nitrate werden leicht aus dem Boden ins Grundwasser ausgewaschen. Gründe für hohe Nitratwerte im Grundwasser sind:

- Zu viel Dünger oder Düngung zum falschen Zeitpunkt - - Massentierhaltung - - intensive Sonderkulturen oder Gemüseanbau - - Boden mit schwachem Pflanzenbestand - - leichter, durchlässiger Boden

Auch beim Absterben von Pflanzen und Tieren werden organische Verbindungen wie Harnstoff und Eiweiße durch Ammonifikation zu Ammonium-Ionen oder Ammoniak abgebaut. (NH2)2CO + H2O � 2 NH3 + CO2

R-NH2 + H2O � NH3 + R-OH Der Gehalt an Nitrat im Boden nimmt auf drei Wegen ab: - Aufnahme durch Pflanzen - Immobilisierung und Auswaschung - Denitrifizierung durch Nitrat-abbauende Bakterien Phosphat Phosphate, hauptsächlich aus Düngemittel, müssen nach der Reinigung in der chemischen Reinigungsstufe abgetrennt werden. Dies erfolgt über Fällung mithilfe von Eisensalzen, Aluminiumsulfat oder Kalk. Dadurch können ca. 90 % der Phosphate dem Abwasser entzogen werden. Bei der Fällung mit Eisen(III) – Ionen entsteht schwer lösliches Eisenphosphat



Fe3+ + PO4

3- � FePO4↓ Mit Kalkmilch fällt bei pH-Werten > 5 Eisenhydroxid FeO(OH) aus. Bei pH-Werten > 7 bildet sich mit Kalkmilch Apatit 5 Ca2+ + 3 PO4

3- + OH- � Ca5(PO4)3OH↓

Bundesrealgymnasium Imst Chemie 2010-11 Klasse 4 … · Aerosole sind Träger für wenig flüchtige...

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