Stoffkreisläufe.

Viele Prozesse in Natur und Technik verlaufen in Kreisläufen. Wir stellen Dir hier einige davon in Kurzform vor.
Kohlenstoffkreislauf
  • 1 → Fotosynthese → autotrophe Organismen [grüne Pflanzen, Algen und einige Bakterien] produzieren mit Hilfe von Lichtenergie und Chlorophyll aus Kohlenstoffdioxid und Wasser organische Stoffe [z.B. Glucose (Traubenzucker)] sowie Sauerstoff
  • 2 → heterotrophe Ernährung → Tiere, Pilze und viele Bakterien können nicht selbst organische Stoffe aus anorganischen bilden - sie nehmen durch die Nahrung organische Stoffe auf; bei der Zellatmung [biologische Oxidation] werden die organischen Stoffe zu Kohlenstoffdioxid und Wasser abgebaut, um Energie zu erzeugen
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  • 3 heterotrophe Ernährung → auch Pflanzen setzen einen Teil der organischen Stoffe in Energie um und bauen diese zu CO2 und H2O ab
  • Prinzip der Fotosynthese 1 (Gesamtreaktion)
    Kohlenstoffdioxid + Wasser Glucose [Traubenzucker] + Sauerstoff
    6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 ; ΔH = +2870 kJ/mol
  • Hinweis → mehr zum Stoffwechsel, speziell zur Fotosynthese, findest Du hier
  • Prinzip der Zellatmung 2 und 3 (Gesamtreaktion)
    Traubenzucker [Glucose] + Sauerstoff Kohlenstoffdioxid + Wasser + ENERGIE
    C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O ; ΔH = -2870 kJ/mol
Technischer Kalkkreislauf
  • 1 → Kalkbrennen → Kalkstein [Calciumcarbonat] wird im Kalkschachtofen thermisch zersetzt [bei rund 1000°C]; es entstehen Branntkalk [Calciumoxid] und Kohlenstoffdioxid
    CaCO3 CaO + CO2 ;
    ΔH = +n kJ/mol
    Diese endotherme Reaktion wird in der Praxis mit der exothermen Verbrennung von Koks gekoppelt.
  • 2 → Kalklöschen → Branntkalk wird mit Wasser zur Reaktion gebracht; dabei entsteht Calciumhydroxid [Löschkalk]
    CaO + H2O Ca(OH)2 ;
    ΔH = -m kJ/mol
  • 3 → Kalklöschen → unter Einfluss des Kohlenstoffdioxids der Luft bindet der Kalkmörtel [Löschkalk, Sand] ab und wird fest, weil wieder Calciumcarbonat entsteht
    Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O ;
    ΔH = -x kJ/mol

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Natürlicher Kalkkreislauf
  • Verdunstung → Wasser verdunstet aus allen Gewässern bzw. wir auch von Lebewesen abgegeben
  • 1 → durch die Reaktion von Kohlenstoffdioxid und Wasser entsteht in der Luft z.T. Kohlensäure, die abregnet
    CO2 + H2O H2CO3 ;
    ΔH = -a kJ/mol

    Kohlenstoffdioxid reagiert auch mit Meereswasser zu Kohlensäure.
  • 2 → aus schwerlöslichem Kalkstein [Calciumcarbonat] in Gebirgen bildet sich mit Kohlensäure auch gut wasserlösliches Calciumhydrogencarbonat
    CaCO3 + H2CO3 Ca(HCO3)2 ;
    ΔH = -b kJ/mol

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  • Wasserhärte → Calciumhydrogencarbonat u.a. Salze gelangen so auch ins Trinkwasser und verursachen die Wasserhärte
  • 3 → in der Tropfsteinhöhle bilden sich aus schwerlöslichem Calciumcarbonat, es entstehen Stalagmiten [unten] und Stalaktiten [oben]
    Ca(HCO3)2 CaCO3 + H2O + CO2
    Wasser fließt in Bäche bzw. ins Grundwasser und das CO2 entweicht durch Spalten in die Luft
  • Grundwasser → sammelt sich aus Niederschlägen, Quellen, Flüssen u.a. Gewässern
  • 4 → der im Wasser gelöste Kalk [Calciumhydrogencarbonat] wird von den Meerestieren in festen Kalk [Calciumcarbonat] umgewandelt, woraus dann Schalen oder Gehäuse vieler Meeresbewohner bestehen
    Ca(HCO3)2 CaCO3 + H2O + CO2
Wasserhärte
  • Begriff Wasserhärte → Maß für den Gehalt [Konzentration] an Calciumionen Ca2+ und Magnesiumionen Mg2+ im Trinkwasser; sie wurde früher in °d [oder °dH] angegeben [Grad deutscher Härte; so viele Calciumionen wie in 10 mg Calciumoxid drin sind = 1 °d]; heute gibt man sie in Millimol pro Liter mmol/L an [1°d = 0,1783 mmol/L] und berücksichtigen den Gehalt an Calcium- und Magnesiumionen
  • Ursachen der Wasserhärte → Wasser passiert verschiedene Gesteins- und Bodenschichten, wenn es ins Grundwasser sickert, darunter auch kalkhaltige Schichten [enthalten Calciumionen]
  • hartes Wasser → enthält viele Calciumionen [man erkennt es an der schlechten Schaumbildung mit Seife und den sich bildenden weißen Flocken im Wasser beim Händewaschen]
  • Wasserhärte ↓
    Härtebereich Ca2+ in mmol/L °d
    1 [weich] 0 - 1,3 0 - 7
    2 [mittelhart] 1,3 - 2,5 7 - 14
    3 [hart] 2,5 - 3,8 14 - 21
    4 [sehr hart] > 3,8 > 21
  • Bestimmung der Wasserhärte → z.B. mittels Teststreifen
  • Kesselstein → beim Erhitzen von Wasser bildet sich aus gelöstem Kalk [Calciumhydrogencarbonat] das unlösliche Calciumcarbonat [Kalkstein] in Form von Kesselstein
    Ca2+ + 2 HCO3- CaCO3 + H2O + CO2 ; endotherm
  • Folgen von Kesselstein → setzen z.B. Heizungsrohre von Kaffeemaschinen zu [Gefahr des Platzens] oder setzen sich an Heizstäben von Waschmaschinen ab [gehen dann schneller kaputt]
  • Gegenmaßnahmen → z.B. Entkalker für Rohre, Enthärter beim Wäschewaschen
    zum Entkalken eignen sich u.a. Essig- oder Zitronensäure, wobei beim Reagieren mit Calciumcarbonat leichter lösliche Salze wie z.B. Calciumacetat gebildet werden, die man wegspülen kann oder man verwendet z.B. in Geschirrspülern sog. Ionenaustauscher [Kunststoffharze, in den Calcium- und Magnesiumionen durch Natriumionen ausgetauscht werden und so weiches Wasser entsteht]
Stickstoffkreislauf
  • 1 → die chemische Industrie stellt aus dem Stickstoff der Luft u.a. Ammoniak NH3 sowie Salpetersäure HNO3 her
  • technische Ammoniaksynthese → aus Stickstoff und Wasserstoff
    3 H2 + N2 2 NH3 ;
    ΔH = -92,1 kJ/mol
  • Salpetersäureherstellung vereinfacht aus zuvor hergestelltem Stickstoffdioxid
    4 NO2 + O2 + 2 H2O 4 HNO3 ;
    ΔH = -n kJ/mol
  • 2 → aus Ammoniak sowie aus Salpetersäure lassen sich verschiedene Mineraldünger herstellen, die u.a. Ammoniumionen NH4+ und Nitrationen NO3- enthalten können
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    der darin enthaltene Stickstoff ist Grundlage für den Eiweißaufbau von Pflanzen
  • 3 → durch elektrische Entladungen bilden sich aus Stickstoff in der Luft auch Stickstoffoxide wie NO [Stickstoffmonooxid], NO2 [Stickstoffdioxid] oder N2O4 [Distickstofftetraoxid], welche mit Luftfeuchtigkeit wiederum Salpetersäure HNO3 und salpetrige Säure HNO2 bilden, die durch Regen in den Boden gelangen; Salpetersäure enthält neben Wasserstoffionen Nitrationen NO3- und salpetrige Säure Nitritionen NO2-, die sich im Boden anreichern
  • 4 → die in den Wurzelknöllchen [Rhizobien] von Schmetterlingsblütlern [Leguminosen; z.B. Lupinen, Bohnen, Klee] enthaltenen Bakterien können Luftstickstoff binden und in Ammoniak NH3 bzw. Ammoniumionen NH4+ umwandeln, die durch Reaktion mit Wasser aus Ammoniak entstehen
    damit wird der Luftstickstoff biologisch verfügbar gemacht [pro Hektar können durch die Knöllchenbakterien ca. 400 kg Luftstickstoff im Jahr gebunden werden, durch frei lebenden Bodenbakterien lediglich 25 kg je Hektar und Jahr]
  • Bildung von Ammoniumionen aus Ammoniak NH3 und Wasser entstehen Ammoniumionen NH4+ sowie Hydroxidionen ...
    NH3 + H2O NH4+ + OH- ; ΔH = -n kJ/mol
  • 5 → bei der Fäulnis und Verwesung von Eiweißen [durch bestimmte Mikroorganismen wie z.B. Fäulnisbakterien], die in toten Organismen [Tiere, Pflanzen] enthalten sind, entstehen ebenso Ammonium- oder Nitrationen, die in den Boden gelangen; tierische Lebewesen scheiden auch stickstoffhaltige Produkte im Kot aus
    95% des Stickstoffs in der Humusschicht liegt in organischer Form vor - jährlich werden davon 2% durch Bakterien in Ammoniak und Ammoniumsalzen abgebaut [Mineralisation]
  • 6 bestimmte Boden-Bakterien können Ammoniumionen NH4+ in Nitritionen, andere Nitritionen NO2- in Nitrationen NO3- umwandeln [Nitrifikation]
  • 7 → Stickstoff wird in Form von Mineralsalzionen [Ammonium- bzw. Nitrationen] durch die Wurzeln der Pflanzen aufgenommen; das Element Stickstoff ist zum Eiweißaufbau notwendig [siehe Amino-Gruppe —NH2 in allen Aminosäuren]
  • 8 → Ammoniak-Verluste
  • 9 → bestimmte, verschiedene autotroph oder heterotroph lebende denitrifizierende Bakterien wandeln Nitrationen in elementaren Stickstoff N2 sowie Stickstoffoxide um
  • Nitrate und Gesundheit → ein kleiner Teil der Nitrate kann auch ins Grundwasser gelangen - dadurch gelangen sie in unser Trinkwasser; übermäßige Nitrataufnahme ist ungünstig, für Kleinkinder sogar lebensbedrohlich [Sauerstofftransport im Blut wird durch giftige Nitrite behindert, die aus Nitraten u.a. in der Mundhöhle gebildet werden]
    die Weltgesundheitsorganisation WHO empfiehlt für Erwachsene eine Nitrataufnahme von maximal 4 mg pro Kilogramm Körpergewicht; einige Lebensmittel [z.B. Wurst mit Konservierungsmittel Nitritpökelsalz] enthalten sogar bereits Spuren an Nitrit
Kreislauf des Wassers
  • Wasserkreislauf → Zum Betrachten der Abbildung bitte durch Anklicken vergrößern! Oder öffne das Bild in Originalgröße.
  • Transpiration → geregelte Wasserdampfabgabe der Pflanzen durch die Spaltöffnungen der Laubblätter
  • Hinweis → mehr über Wasser findest Du hier
Einige Fachbegriffe dieser Seite
  • Reaktionswärme exotherm [Abgabe von Wärmeenergie] ΔH = -n kJ/mol [bzw. Q = -n kJ/mol]; endotherm [Aufnahme von Wärmeenergie] ΔH = +n kJ/mol [bzw. Q = +n kJ/mol]; oft auch mit Q statt ΔH angegeben (Q für Wärmemenge); Schreibweise der Einheit kJ/mol auch als kJ · mol-1 möglich; n o.a. Buchstabe als Variable für beliebige Zahlenangabe
    Bei umkehrbaren Reaktionen gilt die Angabe für die Hinreaktion [für die Rückreaktion dann das Gegenteil]!
  • umkehrbare Reaktion → Einstellung eines chemischen Gleichgewichts zwischen Hin- und Rückreaktion; gekennzeichnet mit einem Doppelpfeil [mehr]
  • Assimilation → Stoff- und Energiewechselprozess, bei die aufgenommenen körperfremden Stoffen meist unter Energiezufuhr in körpereigene Stoffe umgewandelt werden
  • autotrophe Assimilation → Organismen nehmen körperfremde anorganische energiearme Stoffen und wandeln sie mit Hilfe von Energie [z.B. Licht, dann mittels Chlorophyll] in körpereigene organische Stoffe um [grüne Pflanzen, Grünalgen]; betreffende Organismen betreiben meist Fotosynthese, einige wenige Chemosynthese
  • heterotrophe Assimilation → Organismen ernähren sich bereits von organischen Stoffen und wandeln sie in körpereigene organische Stoffe um [Mensch, Tiere, Pilze]
  • Fotosynthese [Photosynthese] → Form der autotrophen Assimilation; aus Kohlenstoffdioxid und Wasser werden mit Hilfe von Lichtenergie in den Chloroplasten mit Chlorophyll organische Stoffe [Glucose] erzeugt, wobei außerdem Sauerstoff entsteht; Nettoreaktionsgleichung ...
    6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 ; ΔH = +2870 kJ/mol
    Kohlenstoffdioxid + Wasser Glucose + Sauerstoff [exotherm]
  • Dissimilation → Bezeichnung für Stoffwechselprozesse, bei denen aus körpereigenen energiereichen organischen Stoffen Energie erzeugt wird; vom Körper angelegte Energiespeicher [z.B. Kohlenhydrate, Fette] werden dabei zu energieärmeren Stoffen abgebaut, wobei Energie in Form von ATP und/oder Wärme frei wird; man unterscheidet Zellatmung [biologische Oxidation, Atmung] und Gärung
  • Zellatmung [biologische Oxidation] → Dissimilationsprozess; dabei werden organische Stoffe [z.B. Glucose] biologisch oxidiert [also mittels Sauerstoff]; dabei entsteht ATP- und Wärmeenergie für alle lebensnotwendigen Prozesse im Organismus [z.B. bei Mensch, höheren Tieren und Pflanzen sowie Pilzen]
  • denitrifizierende Bakterien → verschiedene autotroph oder heterotroph lebende Bakterien wandeln Nitrationen in elementaren Stickstoff N2, außerdem Stickstoffoxide um
Quellenangaben
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  • Für die Gestaltung dieser Internetseite verwendeten wir zur Information, fachlichen Absicherung sowie Prüfung unserer Inhalte auch folgende Internetangebote: wikipedia.de, schuelerlexikon.de, seilnacht.com, darüber hinaus die Schroedel-Lehrbücher Chemie heute SI sowie SII [Ausgaben 2004 bzw. 1998 für Sachsen]. Zitate oder Kopien erfolgten nicht.

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