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Umweltchemie (Fach) / TU Berlin (Lektion)

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• 1) Welche Arten der chemischen Bindung gibt es? Geben Sie jeweils ein Beispiel einer Verbindung, in der die genannten Bindungsarten auftreten. -       Ionische Bindung  NaCl -        Kovalente Bindung  H2O -        Metallische Bindung  Metalle und Legierungen -        Komplexbindungen  Tetraaminkupfer(II) -        Intermolekulare WW  Fluorwasserstoff
• 2) Was versteht man unter einem Dipolmoment? Ein Molekül bildet einen Dipol, wenn eine ungleichmäßige Ladungsverteilung vorliegt, d.h. wenn zwei Pole mit jeweils unterschiedlichem Vorzeichen (e-/e+) existieren. Ein Dipol wird durch das Dipolmoment charakterisiert. Das Dipolmoment μ ist das Produkt aus Ladung (q) und Abstand der Ladung (l).
• 3) Was versteht man unter a) van der Waals-Wechselwirkungen, b) DipolWechselwirkungen und c) Wasserstoffbrückenbindungen? Van der Waals-Kräfte: -        schwache WW zwischen allen Atomen und Molekülen (auch unpolar) -        Wichtig bei Verbindungen, die keinen permanenten Dipol ausbilden (sonst von anderen WW übertrumpft) -        Bildung kurzzeitiger Dipole durch unsymmetrische Ladungsverteilung   Dipol-WW -        Bei polaren Molekülen -        elektrostatische Anziehung unter Molekülen mit permanentem Dipol   Wasserstoffbrückenbindungen (WBB) -        gleichzeitige Anwesenheit von polar gebundenem Wasserstoffatom und einem freien Elektronenpaar eines stark elektronegativen Atoms erforderlich -        Beispiele: H2S, H2O, H2Se, NH3   Stärke der Wechselwirkungen: -        WBB > Dipol-WW > vdW-WW
• 4) Was versteht man unter Polarität einer Bindung? Geben Sie ein Beispiel für die Bedeutung der Polarität bezüglich des Verhaltens einer Verbindung in der Umwelt? Unterschiede der Elektronegativität führen zu asymmetrischer Verteilung der Elektronenwolke zwischen den Atomen  -        Richtung der Polarisierung wird durch Partialladungen wiedergegeben Bedeutung: -        Löslichkeit: „Gleiches mit Gleichem“ -        Schmelz-/Siedepunkt:  Polarität ↑ = Dampfdruck/Flüchtigkeit↓ -        Reaktivität: Polarität ↑ = Polarität ↑ / Persistenz ↓
• 5) Nennen Sie drei wichtige physikalisch-chemische Eigenschaften von Verbindungen, die deren Verhalten in der Umwelt bestimmen! Erläutern Sie anhand eines konkreten Beispiels die Auswirkung einer dieser Eigenschaften auf das Umweltverhalten! ·      pH-Wert: Maß für sauren/basischen Charakter, - log[H3O+] ·      Alkalinität: Maß, Säureeinträge zu neutralisieren ·      Ionenstärke: Maß für elektrische Ladung durch gelöste Ionen  ·      Leitfähigkeit: Summenparameter gelöster Ionen  ·      Salinität: Salzgehalt ·      Wasserhärte: Carbonathärte und permanente Härte 
• 6) Was versteht man unter dem pH-Wert einer Lösung? -        Maß für den sauren oder basischen Charakter einer wässrigen Lösung -        negativer dekadischer Logarithmus der Wasserstoffionenaktivität -        dimensionslose Zahl
• A1) Nennen Sie die drei Hauptgase der trockenen Atmosphäre und deren Mischungsverhältnisse in Prozent! 78% Stickstoff 21% Sauerstoff 0,9% Argon
• A3) Nennen Sie eine besonders wichtige Konsequenz der chemischen Zusammensetzung der Stratosphäre für das Leben auf der Erde! Ozonschicht absorbiert Teil der UV-Strahlung und schützt damit Leben in der Troposphäre vor energiereicher UV- Strahlung: Schutzfunktion
• A5) Die Entstehung der stratosphärischen Ozonschicht lässt sich qualitativ durch den Chapman-Mechanismus erklären. Nennen Sie einen weiteren chemischen Reaktionsmechanismus, der für die stratosphärische Ozonkonzentration wichtig ist! ·      Katalytische O3-Abbaureaktion mit HOx, NOx, ClOx
• A6) Ozon kann in der Stratosphäre durch folgenden Reaktionsmechanismus abgebaut werden: (I) X + O3 → XO + O2 (II) XO + O → X + O2 X ist dabei ein Platzhalter, der für verschiedene chemische Elemente oder Verbindungen stehen kann. Nennen Sie zwei mögliche Verbindungen X, die am stratosphärischen Ozonabbau beteiligt sind! Wie verändert sich die Konzentration von X während des stratosphärischen Ozonabbaus gemäß (I) und (II)? OH + O3 → HO2 + O2 HO2 + O3 → OH + 2 O2 Netto: 2 O3 → 3 O2 NO + O3 → NO2 + O2 NO2 + O → NO + O2 Netto: O3 + O → 2 O2
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• A7) Welche Bedeutung haben OH-Radikale, Stickstoffmonoxid und Chlor-Radikale für die stratosphärische Ozonschicht? Radikale können zu Reaktionsketten und rascher Umsetzung von Stoffen führen
• A8) Die Atmosphäre ist ein oxidierendes Medium. Nennen Sie zwei wichtige atmosphärische Oxidationsmittel und erläutern Sie kurz an zwei Beispielen, welche Bedeutung diese Oxidationsreaktionen in der Umwelt haben! ·       OH-Radikale: das “Waschmittel“ der AtmosphäreEinleitung der meisten oxidativen Abbaureaktionen durch Hydroxyl-Radikale (OH) ·       Ozon (O3):an vielen atmosphärenchemischen Kreisläufen beteiligt ·       Nitratradikale (NO3):nur nachts von Bedeutung, da sehr rasche Photolyse
• A9) Nennen Sie die wichtigen Vorläufergase zur troposphärischen Ozonbildung und erklären Sie die Bedeutung von Sonnenlicht für die Ozonbildung!  VOC, CO, NOx, OH, RO  Sonnenlicht/ hv spaltet 1 Sauerstoffatom von NO2 ab, dann O3 Kreislauf blabla
• A10) Erläutern Sie kurz die Begriffe „Sommersmog“ und „Wintersmog“! Sommersmog: ·      Typisch bei hoher Sonneneinstrahlung, hohen NOx- und VOC-Konzentrationen  ·      Photochemische Ozonbildung ·      Also: neben hohen Ozonkonzentrationen auch Stickoxide und organische Radikale Wintersmog (London-Smog): an kalten, nebligen Tagen mit starken Inversionslagen smoke & fog = smog: hohe Konzentrationen an Schwefeldioxid und Feinstaub 
• A12) Weshalb führen Inversionswetterlagen häufig zu schlechter Luftqualität? Temperaturzunahme mit der Höhe: Wenig Durchmischung und Austausch, dadurch Anreicherung von Schadstoffen, die am Boden emittiert werden
• A13) Nennen Sie drei wichtige Quellen für atmosphärische Aerosolpartikel und erklären Sie den Unterschied zwischen primären und sekundären Aerosolpartikeln! Seesalz, Mineralstaub, Ruß primär: Bildung direkt an/in der Quelle sekundär: Bildung durch chem. Reaktion u./o. durch Anlagerung an Kondensationskern
• A14) Aerosolpartikel können im Körper zur Bildung freier Radikale und oxidativem Stress führen. Diskutieren Sie, inwieweit die Partikelmasse ein geeigneter Parameter ist, um die Wirkung von Aerosolpartikeln auf die menschliche Gesundheit zu bewerten! Welche Rolle spielt die Partikelgröße für die Gesundheitswirkung von Feinstaub? PM10: Masse aller Aerosolpartikel mit einem Durchmesser von weniger als 10 μm Ultrafeine Partikel (Durchmesser < 0.1 μm):können über Lungenbläschen in die Blutbahn gelangen
• A15) Erläutern Sie kurz, warum Wasserdampf das wichtigste atmosphärische Treibhausgas ist und nennen Sie drei anthropogene Treibhausgase! Wasserdampf: hohe Konzentration und starke Absorption im Infrarot Nox, SO2, CH4, CO2
• A16) Der Wellenlängenbereich des Strahlungsspektrums zwischen 8 µm und 13 µm wird als "Atmosphärisches Fenster" bezeichnet. Erläutern Sie die Bedeutung dieses Bereichs für den Strahlungshaushalt der Erde! · dort auf, wo die Strahlungsabsorption durch Wasserdampf, Kohlendioxid und Ozon besonders gering ist · durchlässig für Ein-/ Ausstrahlung · Durch diese Fenster kann ein großer Teil der langwelligen Wärmestrahlung die Atmosphäre ungehindert passieren  · Niedrige/ Kaum Absorption in diesem Wellenbereich
• A17) Erklären Sie in Stichpunkten die direkte Klimawirkung von Aerosolpartikeln und erläutern Sie knapp den indirekten Klimaeffekt! Streuung von Sonnenlicht (direkter Klimaeffekt) Absorption von Sonnenlicht (direkter Klimaeffekt) Wirkung als Wolkenkondensationskern (indirekter Klimaeffekt)
• H1) Nennen Sie drei wichtige Nutzungsformen von Wasser durch den Menschen! TrinkwasserBewässerung für LandwirtschaftKühlwasser
• H2) Erläutern Sie in Stichpunkten den globalen Wasserkreislauf und gehen Sie dabei auf die Begriffe Evapotranspiration, Niederschlag und Abfluss ein! Niederschlag von Wolken auf Ozeane, Flüsse, Land Evapotranspiration von Oberflächen in Stratosphäre Abfluss von Oberflächenwasser in Grundwasser
• H3) Beschreiben Sie zwei wichtige Effekte, die den Sättigungsdampfdruck über einem Wolkentropfen beeinflussen! ·      Krümmung von Tropfen erhöht Sättigungsdampfdruck (leichtere Evaporation) ·      Wasserlösliche Tropfenbestandteile erniedrigen den Sättigungsdampfdruck
• H4) Erklären Sie, in welchem Bereich der pH-Wert von natürlichem Niederschlag liegt und warum? Nennen Sie ein Beispiel für natürliche organische Säuren! Reines Wasser: pH = 7 CO2 und andere Säuren setzen pH-Wert herab natürlicher Niederschlag: pH 5
• H5) Nennen Sie zwei chemische Verbindungen, die zum klassischen sauren Niederschlag beitragen? SO2 NOx HCl                              
• H6) Erläutern Sie an einem einfachen Beispiel die Begriffe pH-Puffersystem und Pufferkapazität! Pufferkapazität: Säureeintrag ohne merkliche pH-Änderung (z.B. [HA]/[A-] < 10)  Puffersysteme, Substanzen, die durch ihre Pufferwirkung die Körperflüssigkeiten gegen unphysiologische Änderungen des pH-Werts schützen. Das Hauptpuffersystem im Blut und in den Zellen ist das Hydrogencarbonat (HCO3–/CO2)
• H7) Was versteht man unter der Eutrophierung von Oberflächengewässern? -        „Überdüngung“ eines Gewässers -        Erhöhter Nährstoffeintrag führt zum vermehrten Aufbau pflanzlicher Biomasse -        Eutrophierung eines Sees: o anaerobe Bedingungen im Hypolimnion führen zu Bildung von Faulgasen (Methan, Ammoniak    und Schwefelwasserstoff)  o Keine günstigen Lebensbedingungen für höhere Wasserlebewesen o Phosphat wird unter reduktiven Bedingungen freigesetzt o In Frühjahrs-Zirkulation ins Epilimnion transportiert o übermäßiges Algenwachstum 
• H10) Begründen Sie anhand des nebenstehenden E-pH-Diagramms von Eisen, in welcher Form Eisen in natürlichen Oberflächengewässern häufig vorkommt! Wie würde sich ein Säureeintrag in natürliche Gewässer darauf auswirken? Eisen wird meist als Fe2+ durch Verwitterungsprozesse freigesetzt: ·      Fe2+ kann durch gelösten O2 zu Fe3+ oxidiert werden ·      Bei hohen pH-Werten: Ausfallen von Eisenhydroxid
• H11) Welche Salinität erwarten Sie in Meerwasser? Nennen Sie vier Hauptionen in Meerwasser! meist hoher Salzgehalt (im Mittel 35 g l-1)   Hauptkationen: Ca2+, Na+, Mg2+, K+   Hauptanionen: HCO 3-, SO 2-, Cl 4-
• H12) Beim Lösen von Salzen in Wasser bildet sich nach Dissoziation des Salzes eine Hydrathülle um die Ionen. Erläutern Sie, wie die Lösungsentropie ΔS und die Lösungswärme ΔH den Lösungsprozess beeinflussen! - ΔSNaCl > 0: Entropiezunahme durch Auflösung der Struktur des gelösten Stoffes, z.B. Lösung von NaCl-Kristall in Wasser: Na+ + Cl- - ΔSH2O < 0: Entropieabnahme, da Wassermoleküle in Hydrathülle eine größere Ordnung zeigen   Lösungsenthalpieänderung: ΔH = ΔUGit + ΔHDis - ΔHHyd Exothermer Lösungsvorgang: ΔH < 0 Lösung erwärmt sich (z.B. CaCO3)Endothermer Lösungsvorgang:  ΔH > 0 Lösung kühlt sich ab (z.B. NH4NO3)
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• H13) Nennen Sie drei wesentliche Faktoren, die die Konzentration von im Wasser gelöstem Sauerstoff beeinflussen! Mit steigenden Temperaturen nimmt Sauerstoffgehalt im Wasser ab Mit steigendem Salzgehalt nimmt Sauerstoffgehalt ab
• H14) Nennen Sie drei wichtige Faktoren, die die Konzentration von im Wasser gelöstem Kohlenstoffdioxid beeinflussen! pH-Wert Quellen:  Auflösung von Kalkstein  Mikrobieller Abbau von Biomasse im Gewässer Senken:  Ausgasung in die Atmosphäre
• H15) Die Verteilung von Gasen zwischen der Atmosphäre und einem Gewässer lässt sich mit Hilfe des Henry-Gesetzes beschreiben. Welche beiden Stoffeigenschaften sind für die Beschreibung der Henry-Konstanten notwendig? (p: Partialdruck der Substanz, cl: Konzentration in der Lösung, kH,pc: Henry-Konstante)
• H16) Das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht beschreibt den Zusammenhang zwischen der Lösung von Kohlenstoffdioxid (CO2 ) in Wasser, der Dissoziation von Kohlensäure (H2CO3 ) und der Löslichkeit von Calciumcarbonat (CaCO3 ). Geben Sie die drei wichtigen Gleichgewichtsreaktions-Gleichungen des Kalk-KohlensäureGleichgewichts an! Erläutern Sie, welche Wirkung eine Erniedrigung des pH-Werts auf die Ausfällung bzw. das Lösen von Calciumcarbonat hat!  CO2 (g) + H2O ⇆ CO2(solv)+H2O ⇆ H2CO3 ⇆ HCO3- ⇆ CO32-
• H17) Der Octanol-Wasser-Verteilungskoeffizient KOW beschreibt die Verteilung einer Verbindung zwischen Octanol und Wasser. Ist eine Verbindung mit großem KOW-Wert besonders lipophil oder besonders wasserlöslich? Welche Bedeutung hat der KOW-Wert für die Aufnahme von Schadstoffen in Organismen? Ein hoher KOW-Wert weist auf eine geringe Wasserlöslichkeit der Verbindung hin --> besonders lipophil Chemikalien mit hohen Koeffizienten beispielsweise neigen eher dazu, sich im Fettgewebe von Organismen anzureichern (Bioakkumulation).
• H18) Geben Sie zwei konkrete Beispiele für Stoffübergange zwischen der Hydrosphäre und den anderen Umweltkompartimenten! -        Atmosphäre: Verdunstung  -        Pedosphäre: Infiltration -        Biosphäre: Trinkwasser
• H19) Beschreiben Sie den Unterschied zwischen Absorption und Adsorption von Schadstoffen in der Umwelt! Absorption: Aufnahme in V Adsorption: Anlagerung an Oberfläche
• P1) Erläutern Sie, weshalb leichte Elemente wie Wasserstoff und Helium auf der Erde relativ weniger häufig vorkommen als im Universum, schwere Elemente wie z.B. Sauerstoff, Eisen, Silizium dagegen häufiger. Deutlich weniger Wasserstoff und Helium, weil Gravitation der Erde für diese leichten Gase nicht ausreicht Deutlich mehr schwerere Element, vor allem Sauerstoff, Eisen, Silizium, Magnesium, Aluminium
• P2) Nennen Sie drei Elemente, die in der Erdkruste besonders häufig vorkommen! Silizium (Silikate) Sauerstoff (Oxide) Aluminium
• P3) Erklären Sie den Begriff „Isomorpher Ersatz“! - Substitution von Gitter-Kationen durch ähnlich große Kationen mit anderer Ladung - Einbau weiterer Ionen zum Ladungsausgleich   
• P4) Nennen Sie die drei wesentlichen Gesteinsklassen und deren Entstehungsprozesse! Magmatische Gesteine entstehen durch Abkühlung und Kristallisation von Magma (silikatische Gesteinsschmelze aus Erdinnerem)  Sedimentgesteine entstehen durch Ablagerung von Gesteinen  Metamorphe Gesteine (Umwandlungsgesteine) entstehen durch Umwandlung von Gesteinen unter hohem Druck und/oder hoher Temperatur 
• P5) Nennen Sie drei konkrete Prozesse der physikalischen Verwitterung und erklären Sie einen dieser Prozesse in Stichpunkten! -        Starke Sonneneinstrahlung  Temperaturverwitterung -        Eindringen von Wasser  Sprengung der Gesteinsschicht -        Wechsel von feuchten und trockenen Perioden  Quellen und Schrumpfen bestimmter Mineralien -        Erosion und Ablagerung Mechanische Bodendurchmischung -        Eindringende Wurzeln in Gesteinsspalten  Ausdehnung („Sprengung“)
• P6) Nennen Sie drei konkrete Prozesse der chemischen Verwitterung und erklären Sie einen dieser Prozesse in Stichpunkten! Lösungsverwitterung   Auflösung von Gesteinen aus überwiegend wasserlöslichen Mineralen, z.B. CaSO4 . 2H2O (Gips) oder NaCl (Halit), durch Niederschlagswasser, Bodenwasser, oberflächennahes Grundwasser Oxidationsverwitterung  Redoxreaktionen von Ionen im Mineralgitter; es entstehen vor allem Eisenoxide mit rötlicher, bräunlicher und gelblicher Färbung Säureverwitterung   Kohlensäureverwitterung, z.B. Auflösung von Kalkgestein (CaCO3) oder Olivin (Mg2SiO4) durch Kohlensäure:
• P7) Durch Verwitterung von primären Silikatmineralen können Tonminerale entstehen. Welche besonderen Eigenschaften machen Tonminerale quellfähig und für die Einlagerung von Kationen geeignet?  weich und mechanisch verformbar sehr große spezifische Oberfläche fähig, Wasser aufzunehmen und zu quellen fähig, Ionen auszutauschen 
• P8) Beschreiben Sie den Aufbau von Schichtsilikaten! Welche besondere Rolle spielen Sie in der Bodenchemie? -        Blättchenförmige Kristalle -        Bestehen aus Si- und Al-Oxiden -        Teilen sich Sauerstoffatome, die als Brücken zwischen den Lagen fungieren -        Kovalente Bindungen mit ionischen Anteilen -        2-Schicht-Mineralien: Ein Al-Oktaeder mit einem Si-Tetraeder verbunden -        3-Schicht-Mineralien: Ein Al-Oktaeder beidseitig von Si-Tetraedern umgeben
• P9) Erläutern Sie die wesentlichen Prozesse der Bodenbildung! Entstehungsprozess   Mechanische Verwitterung und Zerkleinerung des Ausgangsgesteins Ggf. chemische Veränderung der Minerale durch chemische Verwitterung  Entwicklungsprozess   Zersetzung organischer Substanz (Humusbildung) Veränderung von Einflussfaktoren über Entwicklungszeit  Ggf. Intensität der Bodennutzung durch den Menschen 
• P10) Durch mechanische und chemische Verwitterung bilden sich über längere Zeiträume Böden. Nennen Sie fünf Einflussfaktoren für die Bodenentwicklung! Klima Wasser Relief Flora + Fauna Gestein Mensch
• P11) Was versteht man unter Bodenhorizonten? Wodurch sind die Horizonte gekennzeichnet? - Prozesse bei der Bodenbildung bewirken, dass Böden vertikal nicht einheitlich strukturiert sind - Gliederung in oberflächenparallele Lagen O-Horizont: organischer Auflagehorizont o   mehr oder weniger stark zersetztes org. Material A-Horizont: Auswaschhorizont o   Durchwurzelte Zone o   Grundlage für Leben im Boden o   Bestandteile: Ton-Humus-Komplexe B-Horizont: Anreicherungshorizont o   stark verwitterte Mineralien o   enthält Anteile org. Stoffe  C-Horizont: o   mehr oder weniger unverändertes festes oder lockeres Ausgangs-/Muttergestein
• P12) Erläutern Sie in Stichpunkten den Prozess der Verbraunung, der Böden eine typische bräunliche oder rötliche Färbung verleiht! - Verwitterungsprozess von eisenhaltigen Mineralen, z.B. Olivin (Mg, Mn, Fe)2SiO4, Biotit, Pyroxene (z.B. Ferrosilit Fe2Si2O6) - Freisetzung von Fe2+ - Oxidation von Fe2+ mit Wasser und Sauerstoff zu Fe3+ - Bildung von bräunlichen oder rötlichen Eisenoxiden bzw. –hydroxiden, z.B. Goethit (FeO(OH)) oder Hämatit (Fe2O3)
• P13) Begründen Sie, weshalb in vielen Böden natürlicherweise eine negative Ladung der Oberfläche und damit eine gute Kationenaustauschkapazität zu finden ist! Oberflächenladung von Böden durch isomorphen Ersatz von Tonmineralen meist negativ: Kationenaustauschkapazität KAK ist vom pH-Wert abhängig und steigt meist mit steigendem pH-Wert (pH-Wert > isoelektrischer Punkt) 

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