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Zusammenfassung bis zur 9. Vorlesung...

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Vorlesung 1: Wasserkreislauf Totaler Wasserbedarf aller Menschen: 9000 bis 12000 km ❑3 ❑❑ bzw. ca. 1000 Person

m

3

je

Prozesse des Wasserkreislaufes:

1. Verdunstung zu Wasserdampf an der Oberfläche vom Meer 2. Wasserdampf kühlt beim Aufstieg ab → Wolkenbildung, großräumige Verfrachtung 3. Wasserdampf kondensiert bei Abkühlung → Niederschlag

Niederschlagswasser sammelt sich oberirdisch in Fließgewässer und gelangt ins Meer zurück → Oberirdischer Kreislauf

Niederschlagswasser versickert im Boden, Wasser fließt als GW dem Meer zu → unterirdischer Kreislauf

Hauptkomponenten des Wasserkreislauf: Niederschlag und Verdunstung ● für die erneuerung des Süßwasservorräte ist der Verdunstungsanteil über den Ozeanen von Bedeutung, der über die Atmosphäre zum Land transportiert wird (Drift) ● Verdunstung ist die bedeutendste Verlustgröße im Wasserhaushalt ● Verdunstung setzt sich Zusammen aus: Evaporation, Transpiration und Interzeptionsverdunstung

Der regionale Wasserkreislauf in Deutschalnd ● Wasserverfügbarkeit setzt sich zusammen aus Niederschlags- und Verdunstungsmenge: Wa=P+Z ● Wasserverfügbarkeit in Deutschland beträgt 378 Mrd m 3 /a → 80% stammt aus Niederschlag ● Nutzbares Wasserdargebot in Deutschland beträgt 188Mrd m 3 /a ● In Deutschland ist der jährliche Niederschlag größer als die jährliche Verdunstung: Durchschnittliche mittlere Niederschlagsmenge 800 mm/a Lokale Unterschiede jedoch beträchtlich: (Mehr im Westen als im Osten)

Ursachen für die ungleichmäßige Verteilung:

● Kontinentalität des Klimas (Westwinddrift führt dazu, dass wirksame meteorologische Ereignisse meist aus westlicher Richtung kommen ● Geographische Höhe der jeweiligen Region Wasserdargebot: Das potentielle Wasserdargebot gibt an, welche Mengen an Grund- und Oberflächenwasser genutzt werden können und beschreibt damit die nutzbare Teilmenge der Wasserverfügbarkeit In Deutschland herrscht kein Wasserstress ( erst vorhanden wenn der Wasserindex, der ein Quotient aus der jährlichen ges. Wasserentnahme und dem Wasserdargebot, größer als 0,4 ist. In deutschland beträgt er 0,17) jedoch gibt es begrenzte Wassermangelgebiete (zB Baden Württemberg) → Fernwasserversorgung (gleichen Wassermangel und Überschuss aus), Speicherung oder künstliche Uferfiltration Öffentliche Wasserversorgung Ziel; Bevölkerung jederzeit eine ausreichende Menge an TW zur verfügung zu stellen Gewinnung von TW in Deutschland: ● GW: 66% ● Quellwasser: 8% ● Oberflächenwasser: 13% ● Uferfiltrat angereichertes GW: 13% Nur in Baden Württemberg, NRW, Sachsen und Thüringen stellt das GW nicht den Hauptteil der öffentlichen Wasserversorgung dar Wasserqualität ● Sauerstoffgehalt spielt eine wichtige Rolle (Sauerstoffkonzentration sollte mehr als 4 mg/L betragen, da dies die ausreichende Lebensbedingung für Fische ist) ● Saprobienindex: Anhand chemischer und biologischer Parameter wird der Sauerstoffgehalt (also die Qualität ) eines Gewässers bestimmt ● Allgemein hat sich die Wasserquali. In Deutschland in den letzten 30/40 Jahren stark verbessert. Gründe: ○ Aus- und Neubau von kläranlagen ○ Kontinuirliche Erweiterung und Verbesserung der Klärwerktechnik ○ Anschlusszwang ○ Schadstoffeintrag reduzierung

Dennoch: Reststoffe wie Krankheitserreger, Nährstoffe und organisch schwer abbaubare Stoffe wie Pharmaka erfordern in den nächsten Jahren Ausbaustufen für Klärwerke!!!

Mögliche Fragen zur 1. VL: Zusammenfassung: Wasserkreislauf -Globaler Wasserkreislauf ● Weniger als 1% der Gesamtwassermenge der Erde als Trinkwasser nutzbar ● durch menschliche Aktivitäten beeinflusst ● Hauptkomponente: Niederschlag und Verdunstung -Trinkwassergewinnung in Deutschland überwiegend aus Grundwasser -Deutschland- ein wasserreiches Land ● Jedoch regional stark ausgeprägter Wassermangel (wg. Qualität) ● Lösungsansätze: Fernwasserversorgung, Speicherung, künstliche Uferfiltration Wiederholung - Wasserkreislauf, global und regional 1.Der globale Wasserkreislauf Alle Gewässer über globalen Wasserkreislauf durch atmosphärisches Wasser verbunde. Wasser verdunstet zu Wasserdampf, der beim aufsteigen abkühlt → Wolkenbildung, großräumige Verfrachtung. Wasserdampf kondensiert bei Abkühlung → Niederschlag in Fließgewässer und ins Meer → oberirdischer Kreislauf. Niederschlag versickert → unterirdischer Kreislauf 2. Unterschied zwischen Wasserverfügbarkeit und nutzbarem Wasserdargebot Die Wasserverfügbarkeit Wa setzt sich zusammen aus Niederschlags- und Verdunstungsmenge sowie der Zu- und Abfluss Bilanz von und zu den Nachbarstaaten. Wa = P+Z Das potentielle Wasserdargebot gibt an, welche Mengen an Grund- und Oberflächenwasser genutzt werden können und beschreibt damit die nutzbare Teilmenge der Wasserverfügbarkeit. 3. Welches Rohwasser wird in Deutschland am häufigsten zur Trinkwasseraufbereitung genutzt? Am häufigsten wird Grundwasser (66%) in Deutschland für die Trinkwasseraufbereitung genutzt.

4. Öffentliche Wasserversorgung in Wassermangelgebieten Fallbeispiel: Baden-Württemberg zählt zu den relativ wasserarmen Ländern. Die Regionen um Den Bodensee Hingegen zu den Wasserüberschussgebieten. Mit hilfe einer Fernleitung wird Trinkwasser über mehrere Hundert KIlometer transportiert 5. Wie hoch sind die Nutzungsanteile (%) am verfügbaren, erneuerbaren Wasservorkommen in Deutschland von - Industrie ohne Wärmekraftwerke? - Trinkwasserversorgung?

2. Vorlesung: Virtuelles Wasser (Teil 1) und das Wassermolekül (Teil 2) Wasser zählt seit 2010 als Menschenrecht. Man kann den Wasserbedarf in unmittelbar ( Lebensmittel, Wäsche, Körperreinigung…) und in mittelbar (Industrie, Landwirtschaft, Kraftwerke…) Virtuelles Wasser „Virtuelles Wasser“ beschreibt, welche Menge Wasser in einem Produkt oder einer Dienstleistung enthalten ist oder zur Herstellung verwendet wird. → Wasserfüßabdruck eines Produktes 3 Komponenten: Grünes Wasser ● Natürlich vorkommendes Boden- und Regenwasser, welches bei der Produktion z.B. von Pflanzen verdunstet ● Vor allem für landwirtschaftliche Produkte relevant Blaues Wasser ● Bei der landwirtschaftlichen Pflanzenproduktion über die Bewässerung zugeführtes Oberflächen - oder Grundwasser, welches während des Wachstums der Pflanzen verdunstet (oder auch versickert). Graues Wasser ● Wasser wird bei der Produktion verschmutzt ● Wassermenge, die notwendig wäre, um diese Schadstoffe auf ein erträgliches Maß zu verdünnen, bezeichnet man als „graues Wasser“ ● Kein echtes, sondern fiktives Wasser

Wichtig: Nicht immer gilt; Je mehr virtuelles Wasser es enthält, desto schlechter ist das Produkt → es kommt auf die geographische Lage an wo das Produkt hergestellt wird ( viel Regenwasser oder viel Bewässerung?) → Viel wichtiger als der Gesamte Abdruck ist das Verhältnis zwischen Blauem und Grünem Wasser Der nationale Fußabdruck Interner Wasserfußabdruck: Wassermenge, die in einem Land insgesamt nötig ist für die Herstellung der dort produzierten landwirtschaftlichen und industriellen Güter, die auch dort konsumiert werden Externer Wasserfußabdruck: Ergibt sich aus dem Wasserverbrauch in anderen Ländern für Produkte, die in einem speziellen Land ( bsp. Deutschland) konsumiert werden: Wasser für häusliche Verwendung Wasser für den allgemeinen Haushalt, bspw. zum Kochen, Trinken, Reinigung oder Waschen Der gesamte/nationale Wasserfußabdruck eines Landes ergibt sich aus der Verrechnung der genannten Größen: Interner Wasserfußabdruck +Externer Wasserfußabdruck +Wasser für häuslichen Gebrauch --------------------------------------------------=Wasserfußabdruck, in m³ pro Kopf und Jahr

Mögliche Fragen 2. VL 1. Teil: 1. Wie ist virtuelles Wasser definiert? → Menge an Wasser, die in einem Produkt/Dienstleistung enthalten ist oder zur Herstellung verwendet wird. 2. Was sagt das Verhältnis zwischen grünem und blauem Wasser aus?

→ Verträglichkeit landwirtschaftlicher Produkte hinsichtlich der klimatischen Bedingungen vor Ort 3. Woraus ergibt sich der nationale Wasserfußabdruck eines Landes? →Interner und externer Wasserfußabdruck, plus Wasser im haushalt

2. Teil: Das Wassermolekül

● Die OH- Bidnung ist polar wegen der hohen EN des O-Atoms. ● Da die Partialladungen nach außen nicht kompensiert werden, ist das Wassermolekül ein permanenter elektrischer Dipol. ● Aufgrund des Dipols treten Wasserstoffbrückenbindungen auf, die für die Struktur von Eis und flüssigem Wasser wichtig sind ● Wasser hat einen ungewöhnlich hohen Siede- und Gefrierpunkt → die Vernetzung durhc Wasserstoffbrücken wirkt sich wie eine Erhöhung des Molekulargewichtes aus ( → hohe Phasenumwandlungstemperaturen) → Deswegen ist Wasser bei Raumtemperatur flüssig Weitere Eigenschaften des Wassers: Dichteanomalie ● Bei 4°C hat Wasser sein Dichtemaximum ● Dichte nimmt pro Temperatureinheit immer stärker ab Die Anomalie ist für viele Vorgänge in der Natur von großer Bedeutung: ● Eis schwimmt auf Wasser (ermöglicht das Leben im See im Winter) ● Es kommt im Winter und Sommer zu relativ stabilen thermischen Schichtungen ● NEGATIV: Zerstörung von Bauwerken/Wasserversorgungseinrichtungen und der physikalischen Verwitterung von Gesteinsmaterial in der Natur ( aufgrund der ausdehnung des Wassers beim gefrieren)

Hohe Oberflächenspannung ● Wichtig für Tropfenbildung in Wolken und Regen ● Nimmt ab durch gelöste Stoffe, zb Tenside ● Wasserläufer nutzen diesen Effekt ● Oberflächenaktive Substanzen verringern die Spannung und Oberflächeninaktive vergrößern diese Wirkungsweise von Tenside in Wasser:

Hohe Lichtabsorption im IR und UV Bereich ● Geringe Lichtabsorption im sichtbaren bereich ● Wichtig für die Regulation der Photosynthese und der atmosphärischen Temperatur Polares Lösemittel Wasser kann salze und polare Substanzen lösen Wichtigster Effekt: Hydratation: ● Anlagerung der polaren Wassermoleküle an die gelösten Ionen ● Ausbildung einer primären Hydrathülle um das Ion ● An dieser Hülle lagern sich weitere Wassermoleküle mit schwächerer Verknüpfung an ● Die Ladung und der Radius des sich lösenden Ions bestimmt das Ausmaß der Hydratation Die Löslichkeit von Gasen und Salzen sind Temperaturabhängig!!

Mögliche Fragen zur 2. Vl Teil 2: 1. Weshalb ist Wasser bei Raumtemperatur flüssig? - Wasserstoffbrückenbindungen 2. Welche Bedeutung hat die Dichteanomalie von Wasser für ein aquatisches Ökosystem? - Schichtung ein einem See, physik. Verwitterung 3. Wie hoch ist die elektrische Leitfähigkeit von reinem Wasser? - Nahe Null = Autoprotolyse 4. Was bewirken oberflächenaktive Stoffe? - Absenkung der Oberflächenspannung 5. Welche Eigenschaften hat das Wassermolekül und wie wirken sie sich in der Natur aus? - Dichteanomalie - Hohe Oberflächenspannung -polares Lösungsmittel -Hohe Lichtabsorption im IR und UV Bereich 6. Wovon ist die Löslichkeit eines Stoffes abhängig und wie kann der Lösungsvorgang beschrieben werden? - Bei Feststoffen: Gitterenergie wird überwunden, Lösungsenthalpie wird frei, wenn sich die Ionen vom Gitter lösen und von Wassermolekülen umgeben werden. Wie viele Wassermoleküle das Ion umgeben ist von seiner Ladung und seinem Radius abhängig, die Löslichkeit ist meis auch Temperaturabhängig 7. Beschreiben und zeichnen Sie die Wirkungsweise von Tensidmolekülen im Wasser

3. Vorlesung: Chemie des Wassers Säure- Base- Reaktionen ● Säure: Protonendonator Base: Protonenakzeptor ● Die Reaktion besteht aus einem Protonentransfer

● Rkt ist reversibel und das System im Gleichgewicht ● Moleküle die sowohl als Säure als auch als Base reagieren können, heißen Ampholyte

Chemisches Gleichgewicht und Dissoziation Stärke eines Elektrolyten wird durch die Gleichgewichtskonstante K ausgedrückt, K =f (p, T))

Mehrbasige Säuren, sind Säuren die mehr als ein saures H-Atom enthalten (zB H2SO4). Diese dissoziieren schrittweise Ionische Gleichgewichte: Ionenprodukt des Wassers Wasser ist eine sehr schwache Säure (pK = 15,74) bzw. Ein sehr schwacher Elektrolyt

Dissoziationsgrad α und Ionenstärke μ Dissoziationsgrad α ● Die Stärke eines Elektrolyten wird neben K auch durch den Dissoziationsgrad α ausgedrückt ● Starke Elektrolyte sind in wässrigen Lösungen vollständig dissoziiert:

● α ist abhängig von pH-Wert, pK-Wert und Ionenstärke μ Die Ionenstärke μ Die Ionenstärke μ ergibt sich aus der Hälfte der Summe der Produkte aus den einzelnen Ionenkonzentrationen c(i) mit den Quadraten der entsprechenden Ladungszahlen z(i)^2

Kohlensäure ● Wichtigste schwache Säure in natürlichem Wasser, da sie Wasser puffert und somit den pH- Wert stabilisiert Gepufferte Systeme Wässer (bsp: GW , Mineralwasser) bei denen sich durch Zugabe von Säure/Base der pH-Wert sich nur geringfügig ändert. Ein hoher gehalt an schwachen Säuren und Basen ermöglichen eine gute pH Pufferung. Regenwasser ist ein schlechter Puffer

Redox- Reaktionen ● Oxidation: elektronen aufnahme Reduktion: elektronen abgabe ● In einer Lösung können keine freien Elektronenpaare vorliegen→ Oxidation eines Teilchens ist immer mit der Reduktion eines anderen gekoppelt ● Treibende Kraft ist die Potentialdifferenz → Differenz zwischen dem interessierenden Redoxpaar bestehenden Halbelement und der Normalwasserstoffelektrode Normalwasserstoffelektrode ● Reduktions- bzw. Oxidationskraft wird mit Hilfe des Redoxpotentials E [V] charakterisiert ● Normal-/Standardpotential E0: die Potentialdifferenz zwischen dem aus dem interessierenden Redoxpaar bestehenden Halbelement und der Normalwasserstoffelektrode ● Normierung: Potential der Normalwasserstoffelektrode wird null gesetzt und Standardbedingungen (Aktivität= 1mol/L, T=25°C) Wichtige Aussagen 1. Die reduzierte Form eines Redoxpaares(Red) wirkt umso stärker reduzierend, je negativer das Redoxpotential ist. 2. Die oxidierte Form eines Redoxpaares(Ox) wirkt umso stärker oxidierend, je positiver das Potential ist. Ein oxidierbares Teilchen Red(1) kann nur von einem Oxidationsmittel Ox (2) oxidiert werden, wenn dessen Potential positiver ist als das Redoxpotential des Paares Red (1) / Ox(1). → Nernst-Gleichung ● Abhängigkeit des Redoxpotentials von der Konzentration der Reaktanden wird durch Nernst-Gleichung beschrieben ● Für eine Redoxgleichung der Form Ergibt sich bei Verwendung der Konzentrationen in mol/L die NernstGleichung (T=25°C)

● Ist der Quotient aus [Ox]^b und [Red]^a gleich eins, gilt E = E0 Wer kann wen oxidieren bzw. Reduzieren?

● Ein bestimmter Stoff kann nicht von jedem anderen Stoff Elektronen aufnehmen oder an ihn abgeben ● Die Oxidations-bzw. Reduktionswirkung eines Stoffes ist abhängig vom Reaktionspartner (d.h. von seinem Vermögen, Elektronen abzugeben oder aufzunehmen). ● Reduktions-bzw. Oxidationsmittel unterscheiden sich in ihrer Fähigkeit zur Elektronenabgabe bzw.–aufnahme

Mögliche Fragen zur 3. VL: 1. Was sind Ampholyte in der Säuren- und Basenchemie? Stoffe, die sowohl als Säure oder Base reagieren können 2. Was bezeichnet der Parameter KW? Ionenprodukt des Wassers/Autoprotolyse 3. Was beschreibt das Standardpotential E0 einer Substanz? Potentialdifferenz gegenüber einer Referenzelektrode (Normalwasserstoffelektrode) 4. Sauerstoff kann Fe2+ oxidieren. Wie wird diese Reaktion in der Trinkwasseraufbereitung genutzt? Belüftung von anaerobem Grundwasser 5. Wie sind schwache, starke und mehrbasige Säuren definiert? Schwache: pk-Wert > 4,75 Starke: pk-Wert < 1,34 Mehrbasige:enthalten mehr als ein saures Proton, sie dissoziieren Schrittweise

6. Natürliche Wässer sind durch die Kohlensäureformen gepuffert. Wie verteilen sich die drei Formen als Funktion des pH-Werts (Schema)

7. Bitte nennen Sie drei wichtige Reaktionen für gewässerrelevante Prozesse der Oxidation und Reduktion mit Reaktionsgleichungen (3P.) Siehe Gleichungen oben 8. Dissioziationsverhalten von Ammonium (Diagramm). Welchen Effekt hat hier eine steigende Temperatur? Weshalb ist diese Reaktion für die Fließgeschwindigkeit wichtig?

9. Nennen Sie 3 wichtige Säure Base Gleichgewichte für Vorgänge in Gewässern

4. Vorlesung: Hydrobiologie

Hydrobiologie = Teilgebiet der Biologie, das sich mit dem Leben der Organismen im Wasser und deren Beziehungen zu den Umweltfaktoren beschäftigt Grundprozesse

Prozesse wenn Licht auf Wasser trifft: ● Reflektion an Wasseroberfläche ● Absorption im Wasser ● Streuung im Wasser ● Transmission in tiefere Wasserschichten Die Photosynthese wird duch die Wasserinhaltsstoffe in einem Gewässer bestimmt → gleich tiefe, unterschiedliche Seen haben unterschiedliche Strahlungsintensitäten und spektrale Zusammensetzung

Zusammenhang Strahlungsintensität und Produktion (Photosynthese)

● Produktion findet v.a. In den obersten schichten des Pelagials und im Litoral ● Ausbildung einer trophogenen (P>R), Kompensationsebene (R=P) und einer tropholytischen Zone (P 1 μm) 1.1. Absetzbare Stoffe, sichtbar unter dem Mikroskop 1.2. Trennung in anorganisch/organisch über Filtration und Glühen 1.3. Oberflächenwasser: Tone, Pflanzenreste, Mikroorganismen 1.4. Sedimentation erfolgt bei anorganischen Stoffen besonders gut 1.5. Streuung des Lichts: wie bei Kolloiden (Streulicht, Durchlicht) 2.

Kolloidale Stoffe, Kolloide ( 10nm...