Aquatische Chemie (eBook)

Einführung in die Chemie natürlicher Gewässer

Laura Sigg, Werner Stumm (Autoren)

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2016 | 6. Auflage
524 Seiten
vdf Hochschulverlag AG
978-3-7281-3768-5 (ISBN)

Infos

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. Das Buch richtet sich an Studierende der Natur- und Umweltwissenschaften und verwandter Gebiete wie der Hydrologie, Limnologie, Hydrobiologie, Ökologie, Geochemie, ebenso an Berufsleute in der Praxis des Wassermanagements und der Wassertechnologie.

Inhalt

Aquatische Chemie 1
Impressum 2
Vorwort 3
Inhalt 5
1 Einfu?hrung in die chemische Zusammensetzung natu?rlicher 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
3.3 Alkalinität und Acidität 106
3.4 Pufferintensität des Carbonatsystems 111
3.5 Analytische Bestimmung der Alkalinität und der Acidität 113
Weiterfu?hrende 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
4.3 Die Genese eines Nebeltröpfchens 142
4.4 Aerosole 147
4.5 Ansäuerung und Erholung von Gewässern 149
Weiterfu?hrende 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
5.8 Fallbeispiel: Die Hydratisierung des CO2 181
5.9 Fallbeispiel: Kinetik der Absorption von CO2 Gas-Transfer Atmosphäre–Wasser
Weiterfu?hrende Literatur 188
Übungen 189
6 Metallionen in wässriger Lösung 191
6.1 Einleitung 191
6.2 Koordinationschemie und ihre Bedeutung fu?r die Speziierung der Metallionen in natu?rlichen Gewässern 192
6.3 Gleichgewichtsberechnungen der Speziierung von Metallionen 199
6.4 Einfache Modelle der Speziierung von Metallen in natu?rlichen 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
Weiterfu?hrende Literatur 226
Übungen 226
7 Fällung und Auflösung fester Phasen 231
7.1 Fällung und Auflösung fester Phasen als Mechanismus zur Regulierung der Zusammensetzung natu?rlicher Gewässer 231
7.2 Löslichkeitsgleichgewichte von Hydroxiden 234
7.3 Löslichkeitsgleichgewichte von Carbonaten 236
7.4 Löslichkeit von Sulfiden 242
7.5 Löslichkeit von SiO2 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
Weiterfu?hrende 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 natu?rlichen Gewässern 319
8.11 Glaselektrode ionenselektive Elektroden
Weiterfu?hrende Literatur 324
Übungen 325
9 Grenzflächenchemie 329
9.1 Einleitung 329
9.2 Partikel in natu?rlichen 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 fu?r 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
9.11 Kolloidstabilität 369
9.12 Sorption hydrophober Verbindungen 374
9.13 Synthetische Nanopartikel 377
Weiterfu?hrende Literatur 378
Übungen 378
10 Wassertechnologie Anwendung oberflächenchemischer Prozesse
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
Weiterfu?hrende 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
Weiterfu?hrende Literatur 431
Übungen 432
12 Anwendungen auf aquatische Systeme 433
12.1 See 433
12.2 Fliessgewässer 442
12.3 Grundwasser 453
Weiterfu?hrende 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 3: Thermodynamische Daten 500
Index 512

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 1.7.2016
• Verlagsort: Zürich
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Naturwissenschaften ► Chemie
• Themenwelt: Technik
• Schlagworte: Aquatisches System • Geochemie • Grenzflächenchemie • Hydrobiologie • Hydrologie • Limnologie • Ökologie • Ökosystem • Redoxprozess • Wasserkreislauf • Wassertechnologie
• ISBN-10: 3-7281-3768-5 / 3728137685
• ISBN-13: 978-3-7281-3768-5 / 9783728137685