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- Herausgeber: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Sprache: Deutsch
Ein schneller Einstieg in die Umweltchemie, fachlich fundiert und mit Praxisbezug? Die vorliegende Übersetzung des amerikanischen Bestsellers Elements of Environmental Chemistry macht es möglich.
Hier werden die Schwerpunkte der Umweltchemie auf den Punkt gebracht: Welche Faktoren verursachen die Klimaerwärmung? Wo nützt Ozon und wo schadet es? Wie verhalten sich schwer abbaubare Substanzen, wenn sie in die Umwelt gelangen?
Ergänzt um aktuelle Beispiele aus Deutschland und Europa vermittelt das einführende Lehrbuch Grundlagen und Anwendungen des chemischen Verhaltens von Stoffen in der Umwelt. Zahlreiche Beispielrechnungen trainieren den Umgang mit chemischen Größen. Den Bezug zur Praxis stellen die über 120 Übungsaufgaben her, und der Lernerfolg kann gleich im Lösungsteil überprüft werden.
Ein Grundlagenbuch und ein Werkzeugkasten, der Bachelor-Studenten mit dem notwendigen Wissen ausrüstet.
Das ideale Einsteigerbuch für Studierende aller Fachrichtungen.
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Seitenzahl: 339
Veröffentlichungsjahr: 2017
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Inhaltsverzeichnis
Cover
Titel
Impressum
Vorwort zur englischen Originalausgabe
Vorwort zur deutschen Ausgabe
1 Einfache Werkzeuge oder: Was man weiß – was man wissen sollte
1.1 Umrechnung von Einheiten
1.2 Schätzung
1.3 Das ideale Gasgesetz
1.4 Stöchiometrie
1.5 Übungsaufgaben
2 Massebilanz und chemische Kinetik
2.1 Quasistationäre Massebilanz
2.2 Massebilanz im nicht stationären Zustand
2.3 Chemische Kinetik
2.4 Übungsaufgaben
Literatur
3 Chemie der Atmosphäre
3.1 Struktur und Aufbau der Atmosphäre
3.2 Licht und Fotochemie
3.3 Oxidantien in der Atmosphäre
3.4 Kinetik der Reaktionen in der Atmosphäre
3.5 Ozon in der Stratosphäre
3.6 Smog
3.7 Übungsaufgaben
Literatur
4 Der Klimawandel
4.1 Historischer Zusammenhang
4.2 Strahlung eines schwarzen Körpers und die Oberflächentemperatur der Erde
4.3 Absorption von Infrarotstrahlung
4.4 Treibhauseffekt
4.5 Strahlungsbilanz der Erde
4.6 Aerosole und Wolken
4.7 Strahlungsantrieb
4.8 Treibhauspotenzial
4.9 Schlussbemerkung
4.10 Übungsaufgaben
Literatur
5 CO
2
-Gleichgewichte
5.1 Reiner Regen
5.2 Verschmutzter Regen
5.3 Oberflächengewässer
5.4 Die Versauerung der Meere
5.5 Übungsaufgaben
Literatur
6 Pestizide, Quecksilber und Blei
6.1 Pestizide
6.2 Quecksilber
6.3 Blei
6.4 Übungsaufgaben
Literatur
7 Organische Verbindungen und ihr Abbau in der Umwelt
7.1 Dampfdruck
7.2 Wasserlöslichkeit
7.3
Henry-Konstante
7.4 Verteilungskoeffizienten
7.5 Lipophilie
7.6 Bioakkumulation
7.7 Adsorption
7.8 Phasenübergang Wasser-Luft
7.9 Reaktiver Abbau organischer Substanzen
7.10 Verteilung und Persistenz
7.11 Übungsaufgaben
Literatur
8 PCB, Dioxine und Flammschutzmittel
8.1 Polychlorierte Biphenyle (PCB)
8.2 Polychlorierte Dibenzo-
p
-Dioxine und Dibenzofurane
8.3 Bromierte Flammschutzmittel
8.4 Lehren
Literatur
Anhang A: Eine kurze Einführung in die Struktur und Nomenklatur organischer Verbindungen
Anhang B: Lösungen zu den Übungsaufgaben
Anhang C: Periodensystem der Elemente
Stichwortverzeichnis
Endbenutzer-Lizenzvereinbarung
List of Tables
2 Massebilanz und chemische Kinetik
Tab. 2.1 DDT-Belastung im Michigansee im Zeitraum 1970–2002.
Tab. 2.2 Simulierte Michaelis-Menten-Daten für die durch Carboanhydrase katalysierte Umwandlung von CO
2
zu H
2
CO
3
aus der Publikation von Kemmer und Keller [1].
List of Illustrations
2 Massebilanz und chemische Kinetik
Abb. 2.1 Konzentration eines Schadstoffes in einem Umweltkompartiment als Funktion der Zeit. Zum Zeitpunkt
t
= 0 war die Konzentration des Schadstoffs gleich null, und es wurde begonnen, den Schadstoff mit ei ner konstanten Rate einzuleiten, sodass sich nach einer gewissen Zeit ein stationärer Zustand einstellen kann. In diesem Beispiel ist die stationäre Konzentration 2 ppm und die Geschwindigkeitskonstante 1,4 Tage
−1
.
Abb. 2.2 Konzentration eines Schadstoffs als Funktion der Zeit in einem Umweltkompartiment. Die Anfangskonzentration ist
C
0
. In diesem Beispiel ist die Anfangskonzentration 2 ppm und die Geschwindigkeitskonstante 1,4 Tage
−1
. Die Halbwertszeit beträgt dementsprechend 0,5 Tage.
Abb. 2.3 DDT-Konzentration in Forellen des Michigansees (USA) als Funktion der Zeit (siehe Tabelle 2.1). Die durchgezogene Linie ist die Ausgleichsgerade, die mithilfe der Excel-Funktion „Trendlinie“ berechnet wurde.
Abb. 2.4 DDT-Konzentration in Forellen aus dem Michigansee (siehe Tabelle 2.1) als Funktion der Zeit. Die durchgezogene Linie zeigt eine Anpassung an die Messwerte mit einer Exponentialfunktion, die mithilfe der Excel-Funktion „Trendlinie“ berechnet wurde.
Abb. 2.5 Konzentration von Octachlorstyrol (OCS) in Forellen der Großen Seen als Funktion der Zeit. Die durchgezogene Linie zeigt eine Anpassung an die Messwerte mit einer Exponentialfunktion, die mithilfe der Excel-Funktion „Trendlinie“ berechnet wurde. Aus dem Exponent ergibt sich die Geschwindigkeitskonstante des Abbaus.
Abb. 2.6 Konzentrationen eines grünen Farbstoffs in einem See als Funktion der Zeit nach Beginn der Einleitung. Mithilfe der Excel-„Solver“-Funktion wurde eine Anpassung an die Funktion
C
=
C
max
(1 − e
−
kt
) vorgenommen. Die Ergebnisse der Anpassung sind in der Abbildung angegeben.
Abb. 2.7 Linearisierte Michaelis-Menten-Auftragung der Daten für die Umwandlung von CO
2
zu H
2
CO
3
durch Carboanhydrase (siehe Tabelle 2.2), mit der Regressionsgerade.
3 Chemie der Atmosphäre
Abb. 3.1 Temperatur (—) und Druck (- - -) der Atmosphäre als Funktion der Höhe über der Erdoberfläche nach Finlayson-Pitts und Pitts [1].
Abb. 3.2 Schematische Darstellung des globalen Zirkulationsmusters der Erdatmosphäre.
Abb. 3.3 Solare Strahlung als Funktion der Wellenlänge für verschiedene Höhen (in km) über
Abb. 3.4 Katalytischer Zyklus der Ozonbildung während fotochemischer Reaktionen in verschmutzter Luft. Die Kennzeichnung der Reaktionen entspricht der im Text.
Abb. 3.5 Ozonisoplethen zur Verdeutlichung der Abhängigkeit zwischen Ozon, VOC und NO
x
, nach Finlayson-Pitts und Pitts [1].
4 Der Klimawandel
Abb. 4.1 CO
2
-Mischungsverhältnis in der Atmosphäre gemessen am Mauna Loa, Hawaii. Der Einschub zeigt die saisonale Variation der Konzentration während des Jahres 2010.
Abb. 4.2 Molekülschwingungen im Kohlendioxid und molekularen Stickstoff. Die partiell positive und negative Ladung der Atome wird durch δ
+
und δ
−
symbolisiert.
Abb. 4.3 Globale mittlere Energiebilanz der Erde. Angaben in W m
−2
= J s
−1
m
−2
.
Abb. 4.4 Mittlere globale Strahlungsantriebe.
5 CO
2
-Gleichgewichte
Abb. 5.1 Berechnete Konzentration von gelöstem Carbonat im Ozean als Funktion der atmosphärischen CO
2
-Konzentration. Siehe Gleichung im Text.
Abb. 5.2 SF
6
-Mischungsverhältnis in einem Haus als Funktion der Zeit. Man beachte die logarithmische Auftragung des Mischungsverhältnisses.
6 Pestizide, Quecksilber und Blei
Abb. 6.1 Schema einer Chlor-Alkali-Zelle nach dem Amalgamverfahren, in der ein elektrischer Strom (geringe Spannung, sehr hohe Stromstärke) durch eine Natriumchloridlösung (Kochsalzlösung) geleitet wird. Chlorgas wird an der positiven Elektrode erzeugt. Natrium löst sich in elementarem Quecksilber, das als Kathode dient, unter Bildung von Na triumamalgam. Das Natriumamalgam wird dann in einer separaten Zelle hydrolysiert, wobei Natriumhydroxid und gasförmiger, elementarer Wasserstoff (H
2
) entsteht. An Stelle der Grafitanoden werden heute üblicherweise Titananoden verwendet, da diese deutlich größere Standzeiten aufweisen.
Abb. 6.2 Verteilung negativer Verhaltensweisen in Bezug auf die Bleikonzentration in Milchzähnen von Schülern (verändert nach Needleman
et al
. [4]).
7 Organische Verbindungen und ihr Abbau in der Umwelt
Abb. 7.1 Ein einfaches Modell, um die Verteilung einer chemischen Verbindung in Luft, Wasser und Boden bzw. Sediment zu beschreiben.
8 PCB, Dioxine und Flammschutzmittel
Abb. 8.1 Summierte PCB-Produktion in den Industrieländern USA, Deutschland, Frankreich, Großbritannien, Japan, Spanien und Italien als Funktion der Zeit [1].
Abb. 8.2 Karte des Hudson River mit den Messpunkten der PCB-Kontamination ab Hudson Falls und Fort Edward im Norden bis Troy im Süden. (Nachdruck mit freundlicher Genehmigung der American Chemical Society [2].)
Abb. 8.3 PCB-Konzentrationen (ng/g) in Forellen des Michigansees als Funktion der Zeit.
Abb. 8.4 Karte der mit Dioxin kontaminierten Zonen in Seveso, Italien. In der Zone A (schraffiert) war der Boden mit 2,3,7,8-TCDD-Konzentrationen von mehr als 50 μg/m
2
belastet. In der Zone B (weiß) lagen die 2,3,7,8-TCDD-Konzentrationen im Boden im Bereich von 5–50 μg/m
2
.
Abb. 8.5 TCDD-Mischungsverhältnis in menschlichem Gewebe und Serum als Funktion der Zeit der Probenahme.
Abb. 8.6 PBDE-Konzentrationen im menschlichen Blut, Milch und Gewebe als Funktion des Jahres der Probenahme. Die unterschiedlichen Symbole zeigen Orte der Probenahme.
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Ronald A. Hites, Jonathan D. Raff und Peter Wiesen
Umweltchemie
Eine Einführung mit Aufgaben und Lösungen
Titel der Originalausgabe
Elements of Environmental Chemistry – Second edition. Copyright © 2012 by John Wiley & Sons Inc.
All Rights Reserved. Authorised translation from the English language edition published by John Wiley & Sons Limited. Responsibility for the accuracy of the translation rests solely with Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA and is not responsibility of John Wiley & Sons Limited. No part of this book may be reproduced in any form without the written permission of the original copyright holder, John Wiley & Sons Limited.
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Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
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© 2017 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Boschstr. 12, 69469 Weinheim, Germany
Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind.
Print ISBN 978-3-527-33523-7 ePDF ISBN 978-3-527-67297-4 ePub ISBN 978-3-527-67296-7 Mobi ISBN 978-3-527-67295-0
Umschlaggestaltung Formgeber, Mannheim, Deutschland
Satz le-tex publishing services GmbH, Leipzig, Deutschland
Autoren
Prof. Dr. Ronald A. HitesIndiana UniversitySchool of Public and Environmental Affairs702 N. Walnut Grove Ave.Bloomington, IN, 47405USA
Prof. Dr. Jonathan D. RaffIndiana UniversitySchool of Public and Environmental Affairs702 N. Walnut Grove Ave.Bloomington, IN, 47405USA
Übersetzung und Bearbeitung der deutschen Ausgabe
Prof. Dr. Peter WiesenBergische Universität WuppertalFakultät für Mathematik & Naturwissenschaften/Physikalische und Theoretische ChemieGaußstr. 2042097 Wuppertal
Vorwort zur englischen Originalausgabe
Praktisch alle Chemiestudiengänge und Studiengänge der Umweltwissenschaften verfügen heute bereits über eine oder mehrere Lehrveranstaltungen mit dem Fokus Umweltchemie und es gibt eine Vielzahl von Lehrbüchern, die sich dieser Thematik widmen. Allerdings behandeln diese Bücher häufig sehr unterschiedliche Themen und sind leider auch qualitativ sehr unterschiedlich. Nach unserer Meinung muss ein gutes Lehrbuch – unabhängig vom didaktischen Potenzial des Lehrenden – quantitativ ausgerichtet sein. Das heißt, dass die Studierenden die Themen des Lehrbuches mit zahlreichen realen Problemen erarbeiten sollen.
Folglich zielt dieses Lehrbuch auf eine quantitative Herangehensweise an die Umweltchemie ab. Das vorliegende Buch soll die Studierenden mit den Grundlagen der Umweltchemie vertraut machen und sie gleichzeitig mit den notwendigen Werkzeugen zur Lösung konkreter Probleme versorgen. Diese Fähigkeiten sind dann auch auf andere Bereiche über die Umweltchemie hinaus übertragbar, können aber auch zum Verständnis weitaus komplexerer Umweltprobleme beitragen.
Das vorliegende Buch ist relativ kurz und beinhaltet eine große Zahl konkreter Probleme, deren Lösungen Schritt für Schritt erarbeitet werden. Es ist ein interaktives Lehrbuch, das am besten mit einem Bleistift in der Hand gelesen werden sollte, damit der Leser der Lösung der Probleme und den Berechnungen folgen kann. Das reine Lesen dieses Buches, ohne sich intensiv mit den Problemen zu beschäftigen, wird nicht genügen. Nur durch die intensive Beschäftigung der Studierenden mit den Problemen und deren Lösung wird sich der entsprechende Lernerfolg einstellen.
Zusätzlich zu den Aufgaben in den einzelnen Abschnitten endet jedes Kapitel mit einer Sammlung weiterer Aufgaben. Neben der Vertiefung von Lösungskonzepten, die in dem jeweiligen Kapitel vorgestellt wurden, haben wir versucht, Themen aus der wissenschaftlichen Literatur und aus der „realen Welt“ in diese problembezogenen Aufgaben aufzunehmen. Die Lösungen zu den Aufgaben sind in einem Anhang des Buches aufgeführt. Die genauen Lösungsansätze und die Lösungswege sind in einem separaten Lösungsbuch verfügbar. Die meisten der Aufgabensätze beinhalten mindestens ein Problem, dessen Lösung mehr Zeit erfordert und/oder die Anwendung einfacher Computerprogramme. Diese sogenannten Gemeinschaftsaufgaben sollen die Studierenden ermutigen, bei der Lösung dieser Aufgaben zusammenzuarbeiten.
Als eigenständiger Text eignet sich dieses Buch für eine einsemestrige Lehrveranstaltung für Studierende in einem Bachelorstudiengang der Chemie oder für Chemieingenieurwissenschaften bzw. Studierende am Anfang eines entsprechenden Masterstudiengangs, wenn diese über nur wenige Physikkenntnisse verfügen. Grundkenntnisse in Differenzial- und Integralrechnung beim Leser wären hilfreich, sind aber nicht zwingend erforderlich.
Die zweite Auflage der englischen Originalausgabe wurde komplett überarbeitet. Aus dem ehemaligen Kapitel über die Chemie der Atmosphäre wurde der Klimawandel herausgenommen. Diesem wichtigen Thema ist jetzt ein eigenes Kapitel gewidmet. Die Reihenfolge der Kapitel über Chemodynamik und Pestizide, Blei und Quecksilber wurde umgekehrt. Ein neues Kapitel über polychlorierte Biphenyle und Dioxine sowie polybromierte Flammschutzmittel wurde am Ende des Buches eingefügt. Ebenso enthält die zweite Auflage des Buches nun im Anhang eine kurze Einführung in die Nomenklatur organischer Verbindungen und ihrer Strukturen.
Wir danken Todd Royer und Jeffery White für ihre hilfreichen Kommentare zu Teilen des Buches. Wir danken auch der großen Zahl von Studierenden, die Teile des Buches bereits während ihres Studiums über mehrere Jahre verwendet haben und die nicht schüchtern waren, uns auf Fehler und Mängel hinzuweisen.
Wir danken auch Robert Esposito, Chefredakteur bei John Wiley & Sons, mit dessen Hilfe es gelungen ist, dieses Buchprojekt fertigzustellen.
Wir würden uns über jedwede Rückmeldung freuen. Vielleicht haben wir ja Ihr Lieblingsthema vergessen oder es war trotz aller Mühen etwas noch immer unklar oder es verstecken sich trotz aller Sorgfalt noch Fehler in den Lösungen der Übungsaufgaben.
Bloomington, Indiana im November 2011
Ronald A. Hites undJonathan D. Raff
Vorwort zur deutschen Ausgabe
Fünf Jahre nach Erscheinen der zweiten Auflage des erfolgreichen Buches „Elements of Environmental Chemistry“ liegt dieses nun erstmals in einer deutschen Übersetzung vor. Ich habe mich bei der Übersetzung bemüht, den besonderen Charakter der Originalausgabe als „Tutorial“ so weit wie möglich zu erhalten. Andererseits wurde die deutsche Ausgabe an verschiedenen Stellen erweitert, aktualisiert und an die Bedürfnisse des deutschsprachigen Raums angepasst.
So wurde neben einer Aktualisierung des Kapitels 4, das sich mit dem Klimawandel beschäftigt, im Kapitel 8 der PCB-Skandal um die Fa. ENVIO und die Dioxinbelastung des Marsberger Kieselrot eingefügt.
Darüber hinaus wurde das Abschn. 6.1/Pestizide auf deren Verwendung in der Europäischen Union erweitert. Soweit möglich, wurden auch die den einzelnen Kapiteln folgenden Übungsaufgaben für den deutschsprachigen Raum geändert.
Mein besonderer Dank gilt meiner Ehefrau Alexandra für die erste Korrekturlesung des Manuskriptes. Bedanken möchte ich mich aber auch bei Herrn Dr. Andreas Sendtko stellvertretend für alle Mitarbeiter des Verlages, ohne dessen Kompetenz, Einsatz, Ermutigung und Geduld das Vorhaben nicht so reibungslos vonstattengegangen wäre.
Wuppertal, im Juni 2017
Peter Wiesen
2Massebilanz und chemische Kinetik
In der Umweltchemie sind wir häufig daran interessiert, Änderungen eines Systems als Funktion der Zeit zu untersuchen und zu verstehen. Zum Beispiel könnten wir uns dafür interessieren, wie schnell die Konzentration eines Schadstoffs in einem See abnimmt oder ansteigt. Oder wir wollen wissen, wie schnell sich ein Schadstoff in einem Haus ausbreitet oder aus diesem wieder verschwindet.
Zur Beantwortung dieser und anderer Fragen müssen wir uns mit Massebilanzen beschäftigen. Dabei sind prinzipiell zwei Systeme zu unterscheiden. In dem einem ist der Fluss eines Stoffes in ein Umweltkompartiment1) hinein genauso groß wie der Fluss aus diesem Kompartiment heraus. In diesem Fall sprechen wir von einer quasistationären Massebilanz. Im anderen Fall ist der Fluss in das Kompartiment ungleich dem Fluss aus dem Kompartiment heraus und wir sprechen von einer nicht stationären Massebilanz. Wir können das System frei wählen, solange wir die Grenzen des Systems definieren können und wir etwas darüber wissen, was in das System hinein und heraus fließt. Zum Beispiel kann ein Umweltsystem die gesamte Atmosphäre, der Bodensee, eine Kuh, ein Haus oder eine Garage oder aber auch die Luft über einer großen Stadt sein.
2.1 Quasistationäre Massebilanz
2.1.1 Durchsatz, Beladung und Verweilzeiten
Stellen wir uns vor, dass wir ein Umweltsystem haben, in das eine bestimmte Menge Wasser hinein und wieder heraus fließt. Dies könnte z. B. ein See sein, in den ein Fluss hinein und ein anderer heraus fließt. Wir könnten also schreiben:
wobei F die Durchflussmenge pro Zeiteinheit (z. B. L/Tag für den See als Beispiel) ist. Die Gesamtmenge des Materials im System wird als Vorrat oder Bestand, häufig auch als Beladung bezeichnet. Wir verwenden dafür das Symbol M. Dies könnte dann z. B. die Gesamtmenge des Wassers in unserem See sein, die wir in Litern oder Kubikmetern (m3) angeben könnten.
Ist nun Fein = Faus, dann bezeichnen wir das System als stationär oder quasistationär.
Die durchschnittliche Zeit, die ein Stoff in unserem System verbringt, bezeichnen wir als Verweilzeit oder als Lebensdauer, für die wir das Symbol τ
