Chemie und Umwelt: Ein Studienbuch für Chemiker, Physiker, Biologen und Geologen

370 Pages·1990·12.235 MB·German

by  Andreas Heintz, Guido Reinhardt (auth.)

Andreas Heintz
Guido Reinhardt
Chemie und Umwelt
Aus dem Programm-------------_
Chemie
Einführung in die Allgemeine Chemie,
von P. Paetzold
Physikalische Chemie,
von G. M. Barrow
Theorie chemischer Elementarprozesse,
von E. Nikitin und L. Zülicke
Probability and Heat.
Fundamentals of Thermostatistics,
von F. Schlögl
Quantitative Analytische Chemie.
Grundlagen - Methoden - Experimente,
von J. S. Fritz und G. H. Schenk
Analytische und präparative Labormethoden.
Grundlegende Arbeitstechniken für Chemiker, Biochemiker,
Mediziner, Pharmazeuten und Biologen,
von K. E. Geckeier und H. Eckstein
Organische Chemie,
von S. H. Pine, J. B. Hendrickson, D. J. Cram und G. S. Hammond
Organisch-chemischer Denksport.
Ein Seminar fOr Fortgeschrittene, von R. Brückner
Prinzipien und Methoden der stereoselektiven Synthese,
von E. Winterfeldt
Biochemie - ein Einstieg,
von H. Kindl
Arzneistoffe,
von W. Schunack, K. Mayer und M. Haake
Pestizide und Umweltschutz,
von G. Schmidt
Vieweg---------------------------------
Andreas Heintz
Guido Reinhardt
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CHEMIE
UNDUMWELT
Ein Studienbuch für Chemiker, Physiker,
Biologen und Geologen
Mit 106 Abbildungen und 65 Tabellen
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Vleweg
CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Heintz, Andreas:
Chemie und Umwelt: ein Studienbuch für Chemiker,
Physiker, Biologen und Geologen I Andreas Heintz;
Guido Reinhardt. - Braunschweig; Wiesbaden:
Vieweg,1990
NE: Reinhardt, Guido:
Anschrift der Autoren:
Prof. Dr. Andreas Heintz,
Guido Reinhardt
Physikalisch-Chemisches Institut
Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
Im Neuenheimer Feld 253
0-6900 Heidelberg 1
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ISBN 978-3-663-00137-9 ISBN 978-3-663-00136-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-00136-2
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Vorwort
Der Gedanke, ein Buch zum Thema "Chemie und Umwelt" zu schreiben, ent
stand aufgrund unserer Erfahrungen mit einem Seminar desselben Titels, das in
den Wintersemestern 1987/88 und 1988/89 am Physikalisch-Chemischen Institut
der Universität Heidelberg stattfand. Es zeigte sich, daß dieses Thema offenbar
nicht nur für die Studierenden der Chemie,sondern auch für diejenigen verwand
ter Fachrichtungen von größtem Interesse ist, es aber andererseits kaum Bücher
gibt, die im Stil eines Lehrbuches eine zusammenfassende, fachübergreifende In
formation anbieten.
Angesichts der immer bedrohlicher werdenden Auswirkungen von chemi
schen Prozessen und Chemieprodukten auf unser Leben sollte es ein Gebot für
die Lehrenden an einer Universität sein, den Studierenden bei ihrer naturwissen
schaftlichen Ausbildung eine ebenso fachlich fundierte wie kritische Auseinan
dersetzung mit dieser Problematik zu ermöglichen. Es ist selbstverständlich, daß
nicht alles, was zum Thema "Chemie und Umwelt" gehört, in einem Buch des vor
liegenden Umfangs behandelt werden kann. Die thematische Auswahl beschränkt
sich auf den eigentlich schon sehr ausgedehnten Komplex der Schadstoffbelastung
von Luft, Wasser und Boden, der die wichtigsten umweltrelevanten Themenbe
reiche umfaßt. Der Problemkreis Kerntechnik und radioaktive Belastung wurde
bewußt ausgeklammert, da seine angemessene Behandlung den Rahmen dieses
Buches gesprengt hätte.
Die Ansprüche, die an die Vorbildung des Lesers gestellt werden, sind un
terschiedlich. Grundkenntnisse chemischer, physikalischer und biologischer Ge
setzmäßigkeiten werden meistens vorausgesetzt. Dort, wo die Darstellung über
die Basis dieses Grundwissens hinausgeht, haben wir uns bemüht, die Zusam
menhänge ausführlich zu entwickeln. In einigen Fällen wurden dazu auch ma
thematische Hilfsmittel verwendet. Jedoch ist auch für diejenigen der "rote Fa
den" verfolgbar und die Schlußfolgerung jedes Kapitels nachvollziehbar, die sol
che Passagen überspringen. Zahlreiche Literaturhinweise und Quellenangaben
ermöglichen einen Zugang zu weiterführender Literatur.
Ziel des Buches ist es, Grundwissen zu vermitteln und gleichzeitig das Pro
blembewußtsein für eine Thematik zu intensivieren, die uns alle angeht und die
letztlich auch Fragen nach der Rolle und Aufgabe des Menschen und seines Um
.gangs mit der Natur berühren muß. Wir wünschen uns kritische Leserinnen und
Leser, die nach der Lektüre nicht nur neue Kenntnisse erworben haben, sondern
auch nachdenklich geworden sind.
VI
Für die Hilfe, die uns von vielen Seiten beim Zustandekommen dieses Buches
zuteil wurde, sind wir dankbar. Frau Petra Reinhardt und Herr Prof. Dr.
Rüdiger Lichtenthaler haben uns durch Geduld und viel Verständnis für Au
torennöte unterstützt. Von den Herren Dr.-Ing. Herbert A. Feyen, Dipl.-Phys.
Jürgen Giegrich, Prof. Dr. Bertold Hock, Dr. Ulrich Höpfner, Dipl.-Biol. Jürgen
Knirsch, Prof. Dr. German Müller, Prof. Dr. Christi an-Dietrich Schönwiese und
Dipl.-Phys. Sebastian Zwickler erhielten wir wertvolle Ratschläge und Hinweise.
Herr Harald Ramspeck hat mit Sorgfalt die Zeichnungen angefertigt. Unser ganz
besonderer Dank aber gilt Frau Martina Wetzei, die nicht nur einen großen Teil
der mühsamen Schreibarbeit des Textes, sondern auch mit viel Sachverstand das
zeitraubende Korrekturlesen übernommen hat.
Wir bedauern, daß das Buch nicht auf Recyclingpapier gedruckt werden
konnte, wie es unserem Wunsch entsprach. Unser Dank gilt dem Verlag Friedr.
Vieweg & Sohn für die gute Zusammenarbeit, insbesondere Herrn Björn Gonde
sen, der die Entstehung des Buches mit kritischem Interesse und viel Engagement
begleitet hat.
Heidelberg, im September 1989 Andreas Heintz
Guido Reinhardt
Inhaltsverzeichnis
Einleitung 1
1 Entwicklung und Struktur der Erdatmosphäre 8
1.1 Evolution der Erde und ihrer Uratmosphäre 10
1.2 Entstehung des atmosphärischen Sauerstoffs 14
1.3 Atmosphärische Stoff kreisläufe am Beispiel des Kohlenstoffs 21
1.4 Temperatur- und Druckverhältnisse in der Erdatmosphäre 24
2 Der Treibhauseffekt der Erdatmosphäre und sein EinHuB
auf das Weltklima 28
2.1 Klimarelevante Spurengase 29
2.2 Strahlungsbilanz und Energiehaushalt der Erde 36
2.3 Folgen eines anwachsenden Treibhauseffektes 43
3 Chemie der Troposphäre 49
3.1 Spurengase und Luftschadstoffe 49
3.2 Transportvorgänge von Luftschadstoffen 54
3.3 Photochemische Primärprozesse von Luftschadstoffen 57
3.4 Chemie der Photooxidantien 59
3.5 Schadstoffoxidation ohne Photochemie 66
3.6 Umweltbelastungen durch Luftschadstoffe 68
4 Entstehung, Stabilität und Geiährdung der
atmosphärischen Ozonschicht 73
4.1 Physikalisch-chemische Mechanismen zur Erklärung einer
stabilen Ozonschicht 73
4.2 Einfluß vori Spureng asen auf das Ozon-Konzentrationsprofil 80
4.3 Das Ozonloch über der Antarktis 87
4.4 Folgen des Ozon abbaus und Gegenmaßnahmen 93
VIII
5 Methoden zur Minderung von Lurtschadstoffen 99
5.1 Verfahrensgrundlagen zur Luftreinhaltung 99
5.2 Rauchgasentschwefelung 102
5.3 Rauchgasentsti::kung 111
5.4 Gesetzliche Bestimmungen 114
5.5 Katalysatoren zur Schadstoffreduktion bei Kraftfahrzeugen 120
5.6 Europäische Normen für Kfz-Abgase 129
5.7 Auswirkungen von Luftreinhal~emaßnahmen in
Vergangenheit und Zukunft 131
6 Neuartige Waldschäden - Waldsterben 135
6.1 Begriffsbildung 135
6.2 Symptome und Ausmaß der neuartigen Waldschäden 136
6.3 Ursachen der neuartigen Waldschäden 141
6.4 Gegenmaßnahmen und Konzepte 150
7 Gefahren für Grund- und Oberflächenwasser 153
7.1 Wasserkreislauf, Wasserbedarf und Wasserversorgung 153
7.2 Trinkwasser und seine Gefährdung 159
7.3 Phosphate als Beispiel für gewässerbelastende Stoffe 165
7.4 Belastung der Nordsee durch Nährstoffe 170
8 Waschmittel als Umweltchemikalien 173
8.1 Inhaltsstoffe und Wirkungsweise von Waschmitteln 173
8.2 Umweltrelevanz von Waschmitteln 182
9 Chemie in der Landwirtschaft:
Düngemittel und Biozide (Pestizide) 190
9.1 Der Boden und seine ökosystemare Funktion 190
9.2 Düngemittel: Eine Übersicht 196
9.3 Biozide: Eine Übersicht 201
9.4 Umweltgefährdung durch Düngemittel und Biozide 213
IX
10 Schwermetalle in der Umwelt 229
10.1 Eigenschaften und Vorkommen von Schwermetallen 229
10.2 Nutzung der Schwermetalle durch den Menschen 232
10.3 Kreislauf der Schwermetalle in der Biosphäre 233
10.4 Anreicherung von Schwermetallen im Boden 239
10.5 Anreicherung von Schwermetallen in Pflanzen 245
10.6 Schwermetalle in den Sedimenten von Oberflächengewässern 246
10.7 Gesundheitsgefährdung durch Schwermetalle 253
11 Abwasserreinigung durch Kläranlagen 256
11.1 Grundlagen zur Beurteilung der Abwasserqualität
und gesetzliche Regelungen 256
11.2 Mechanische und biologische Abwasserreinigung 262
11.3 Stickstoffelimination aus Abwasser 267
11.4 Phosphatelimination aus Abwasser 273
11.5 Behandlung und Verwertung des Klärschlamms 279
11.6 Ökologische Probleme durch Abwasserreinigung 282
12 Müll und chlorhaltige Chemikalien als Umweltproblem 284
12.1 Abfälle: Herkunft und Mengen 284
12.2 Mülldeponierung 287
12.3 Müllverbrennung 288
12.4 Chlorierte Verbindungen als Beispiel für den
Sondermüllnotstand 298
12.5 Vermeidung und Entsorgung chlororganischer Stoffe 307
Anhang 1: Temperaturgradient in der Troposphäre 313
Anhang 2: Strahlungsgleichgewicht 315
Anhang 3: Nomenklatur der FCKW 323
Anhang 4: Kinetik des Belebungsverfahrens 324
Anhang 5: Ein Modell für die Bioakkumulation 328
Literaturhinweise und Quellenangaben 331
Sachwortverzeichnis 346
Einleitung
Die zunehmende Belastung der Erdoberfläche und der Lufthülle durch Umwelt
chemikalien und die damit verbundene Gefährdung des Lebens ist eine Tatsache
geworden, die heute von niemandem mehr ernsthaft bestritten wird. Einigkeit
herrscht auch weitgehend darüber, daß die Ursache dieser immer bedrohlicher
werdenden Umweltbelastung der ständig steigende Energieverbrauch einer ra
pide wachsenden Weltbevölkerung ist, aber auch die ungebremst zunehmende
Konsumgüterproduktion der westlichen Industrienationen, die sich auch auf die
Ostblockländer und die sogenannten Schwellenländer auszudehnen beginnt [1,2].
Auffallenderweise hat diese allgemein akzeptierte Erkenntnis bisher im Han
deln der Menschen kaum zu Konsequenzen geführt, die dieser vom Menschen
verursachten und für seine eigene Existenz so bedrohlichen Entwicklung wirksam
Einhalt gebieten könnten. In diesem Verhalten liegt eine lebensgefährliche Inkon
sequenz. Die vorausschauende Vernunft des Menschen stößt offenbar an Gren
zen, wenn es um die Erhaltung der eigenen Art geht. Ein ähnliches Phänomen
begegnet uns in der widersprüchlichen Tatsache, daß es ständig bewaffnete Kon
flikte und Gewaltanwendungen gibt, daß nach wie vor weltweit gewaltige Men
gen an Vernichtungswaffen zum Einsatz bereit gehalten werden, obwohl fast jeder
Mensch nach Frieden strebt. Dieses Problem ist nicht Thema dieses Buches, aber
es weist darauf hin, in welchem größeren Zusammenhang das Thema "Chemie
und Umwelt" betrachtet und verstanden werden soll.
Es wird häufig gefordert, daß in der Diskussion der Umwelt problematik emo
tionsfreie Sachlichkeit herrschen müsse. Es ist unserer Meinung nach falsch, Emo
tionen beiseite zu lassen, wenn es um Existenzfragen gehl. So kann beispielsweise
Angst Anstöße geben, wenn sie sich auf die tatsächlich drohenden Gefahren be
zieht und uns handlungsfähig macht, diesen Gefahren mit Vernunft zu begegnen.
Angst und Beunruhigung als richtige Wegweiser zu benutzen, wird allerdings
heute auch in der Umweltdiskussion immer schwieriger. Dazu benötigen wir In
formation und Verständnis der Zusammenhänge von immer komplizierter werden
den Vernetzungen von Ursachen und Wirkungen. Das sachliche Urteilsvermögen,
das man sich damit erwirbt, sollte die Emotionen aber nicht verdrängen. Jeder
sachlich Informierte hat beispielsweise Anlaß zu Angst und Sorge, wenn es um
die Gefahr der Klimaänderung durch den Treibhauseffekt oder den Abbau der
lebenssch übenden Ozonschicht gehl. Das gilt insbesondere auch für das welt
weite Aussterben vieler Pilanzen- und Tierarten, ein Prozeß, der mit einer in der
überschaubaren Erdgeschichte noch nie dagewesenen Geschwindigkeit abläufl.