Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie

Präsentation zum Thema: "Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie"—  Präsentation transkript:

1 Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie
4-1 Chemische Natur des Wassers

2 Chemische Natur des Wassers
„Bedeutung des Wassers in den Wissenschaften Wasser spielt wegen seiner besonderen chemischen und physikalischen Eigenschaften, vor allem des Dipolmoments, der Wasserstoffbrückenbindung und der Dichteanomalie, eine zentrale Rolle in vielen Wissenschaften und Anwendungsgebieten. Die Wissenschaft, welche sich mit der räumlichen wie zeitlichen Verteilung des Wassers und dessen Eigenschaften beschäftigt, bezeichnet man als Hydrologie. Insbesondere untersucht die Ozeanologie das Wasser der Weltmeere, die Limnologie das Wasser der Binnengewässer, die Hydrogeologie das Grundwasser und die Aquifere, die Meteorologie den Wasserdampf der Atmosphäre und die Glaziologie das gefrorene Wasser unseres Planeten. In flüssiger Form wurde Wasser bislang nur auf der Erde nachgewiesen.“ (4) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 4-1

3 Chemische Natur des Wassers
„Wasserchemie: Die Wasserchemie befasst sich mit den Eigenschaften des Wassers, seinen Inhaltsstoffen und mit den Umwandlungen, die im Wasser stattfinden oder durch das Wasser verursacht werden, sowie mit dem Stoffhaushalt der Gewässer. Sie behandelt Reaktionen und Auswirkungen im Zusammenhang mit der Herkunft und Beschaffenheit der unterschiedlichen Wassertypen. Sie befasst sich mit allen Bereichen des Wasserkreislaufs und berücksichtigt damit die Atmosphäre und den Boden. Dabei beschäftigt sie sich unter anderem mit der Analyse von im Wasser gelösten Stoffen, den Eigenschaften des Wassers, dessen Nutzung, dessen Verhaltensweise in verschiedenen Zusammenhängen. Wasser ist ein Lösungsmittel für viele Stoffe, für Ionenverbindungen, aber auch für hydrophile Gase und hydrophile organische Verbindungen. Sogar gemeinhin als in Wasser unlöslich geltende Verbindungen sind in Spuren im Wasser enthalten. Daher liegt Wasser auf der Erde nirgends in reinem Zustand vor. Es hat je nach Herkunft die unterschiedlichsten Stoffe in mehr oder weniger großen Konzentrationen in sich gelöst. In der Wasseranalytik unterscheidet man unter anderem folgende Wassertypen: Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 4-1

4 Chemische Natur des Wassers
„Süßwasser/Salzwasser/Brackwasser Reinstwasser Demineralisiertes Wasser Destilliertes Wasser Enteisentes Wasser Rohwasser Mineralwasser Trinkwasser Nutzwasser Abwasser, (Haushalts-Abwässer, landwirtschaftliche Abwässer, Industrie-Abwässer) Regenwasser Grundwasser Oberflächenwasser (Fließ- und Stehgewässer), “ (4) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 4-1

5 Chemische Natur des Wassers
„Anomalie des Wassers: Wasser zeigt im Gegensatz zu den meisten anderen chemischen Verbindungen Besonderheiten in seiner Dichte bei Temperaturveränderung. So hat es bei 4°C seine größte Dichte von 1,000 g/cm³. Beim Erwärmen sowie beim Abkühlen des Wassers nimmt dessen Dichte ab. Besonders groß ist der Effekt beim erstarren des Wassers (bei 0°C). Dabei dehnt sich Wasser um 1/11 seines Volumens aus und somit weißt der Feststoff eine geringere Dichte als seine Flüssigkeit auf. Der Grund für diese Besonderheit ist die Fähigkeit des Wassers Wasserstoffbrückenbindungen auszubilden. Dabei treten die positiv polarisierten Wasserstoffatome des Wassermoleküls in Wechselwirkung mit dem negativ polarisierten Sauerstoffatom eines benachbarten Moleküls. Wasserstoffbrückenbindungen können nur bei Wasserstoffverbindungen auftreten, welche ein sehr stark elektronegatives Element wie Fluor, Stickstoff oder Sauerstoff enthalten. Gefriert Wasser, so bildet es ein Molekülgitter aus, dessen Bindungskräfte im Wesentlichen aus Wasserstoffbrückenbindungen bestehen. In einem Wassermolekülgitter sind zahlreiche Hohlräume enthalten, so dass die Moleküle im Gitter mehr Platz einnehmen als im flüssigen Zustand.“ (6) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 4-1

6 Chemische Natur des Wassers
„Erwärmt man das Eis solange bis es langsam wieder schmilzt, so bleiben Assoziate (Assoziate sind zusammenhängende Moleküle) übrig, welche durchschnittlich aus 112 tetraedrisch geordneten Wassermolekülen bestehen. Diese Assoziate können sich dichter zusammenlagern als das feste Wasser und somit besitzt flüssiges Wasser bei 0°C eine höhere Dichte als der Feststoff. Bei weiterem Erwärmen des Wassers brechen die Assoziate auseinander und die Wassermolekülen zeigen keine tetraedrische Anordnung mehr. Die Dichte des Wassers nimmt bis 4°C weiter zu, da die kleineren Assoziate sich immer dichter aneinander lagern können. Ab einer Temperatur von 4°C wird dieser Effekt durch die Eigenbewegung des Wassers ausgeglichen und die Dichte nimmt wieder mit zunehmender Molekularbewegung (und steigender Temperatur) ab. Die Dichteanomalie des Wassers ermöglicht in der Natur das Fortbestehen der Tier- und Pflanzenwelt.“(6) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 4-1

7 Chemische Natur des Wassers
Quelle: Chempage.de Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 4-1

8 Chemische Natur des Wassers
„Wasser als Lösemittel: Für viele Substanzen ist Wasser ein ausgezeichnetes Lösungsmittel. Vor allem für ionische Verbindungen wie Salze bietet sich Wasser als Lösemittel an. Beim Lösevorgang werden die kleinsten Teilchen (Ionen oder Moleküle) aus dem Gitterverband des Feststoffs gelöst. Das Lösen einer Verbindung erfordert Energie, welche dem Wasser in Form von Wärme entzogen wird. In der Praxis ist jedoch zu beobachten, dass bei vielen Lösevorgängen die Temperatur zum Teil erheblich ansteigt. Aus dieser Beobachtung ist zu schließen, dass zwischen Lösemittel und gelöstem Stoff eine Wechselwirkung herrscht, welche Energie liefert. In Wasser lösen sich vor allem Salze gut. Die Salzgitter werden durch elektrostatische Wechselwirkungen der Ionen zusammengehalten. Die aus einem Ionenverband gelösten Teilchen treten mit den entgegengesetzt geladenen Enden der Wasserdipole in Wechselwirkung. Die gelösten Ionen werden mit mehreren Wassermolekülen umlagert, wobei Energie frei wird. Man bezeichnet den Vorgang auch als Hydratation und die freigesetzte Energie als Hydratationsenergie.“ (6) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 4-1

9 Chemische Natur des Wassers
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10 Chemische Natur des Wassers
„Beim Lösen eines Feststoffs in Wasser finden somit zwei Vorgänge gleichzeitig statt: a) der endotherme Gitterabbau b) die exotherme Hydratation Erfordert der Gitterabbau mehr Energie als bei der Hydratation der Teilchen frei wird, so kühlt sich das Wasser ab. Im anderen Fall wird sich das Wasser erwärmen.“ (6) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 4-1

11 Chemische Natur des Wassers
„Die Lösungseigenschaften des Wassers sind stoffspezifisch. Es gibt Substanzen die sich bei Raumtemperatur gut, mäßig oder kaum lösen lassen. Eine wässrige Lösung in der kein weiterer Feststoff gelöst werden kann wird als gesättigt bezeichnet. Ein Überschuss eines Feststoffs wird sich als Bodensatz abscheiden. In den meisten Fällen nimmt die Löslichkeit einer Substanz mit steigender Temperatur zu. Die Löslichkeit wird in Gramm pro 100g Lösemittel angegeben Löslichkeit von Flüssigkeiten Auch die Löslichkeit von Flüssigkeiten in Wasser ist stoffspezifisch. Flüssigkeiten wie Ethanol lassen sich in jedem Verhältnis mit Wasser mischen. Bei Verbindungen wie Trichlormethan (Chloroform) lässt sich nur ein bestimmter Anteil lösen, der Überschuss lagert sich je nach Dichte unterhalb oder oberhalb der Wasserschicht ab. Einige Flüssigkeiten lassen sich unter Wärmeentwicklung in Wasser lösen. Beim Lösen von Schwefelsäure besteht sogar Überhitzungsgefahr (Vorsicht! Verspritzungsgefahr).“ (6) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 4-1

12 Chemische Natur des Wassers
„Lösung von Gasen In Wasser lassen sich jedoch nicht nur Feststoffe und andere Flüssigkeiten lösen, sondern auch Gase. Man nennt diesen Vorgang auch Absorption. Die Absorption von Gasen in Wasser ist von der Temperatur und vom herrschenden Druck abhängig. Bei steigendem Druck nimmt die Löslichkeit von Gasen zu, bei steigender Temperatur nimmt sie ab.“ (6) Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 4-1

13 Chemische Natur des Wassers
Literaturquellen: Es wurde als Quellen verwendet: Übernommen aus: Nachschlagebücher für Grundlagenfächer Chemie, Schröter, Lautenschläger, VEB Fachbuchverlag Leipzig Chemie, Hans Rudolf Christen, Verlag Sauerländer Kurzes Lehrbuch der anorganischen und allgemeinen Chemie, J. Fenner und H Siegers, Springer Verlag Chemie.de Rechnen in der Chemie, Walter-Wittenberger, Springer –Verlag Chempage.de Chemische und mikrobiologische Grundlagen der Wassertechnologie 4-1