Saures Regenwasser
Die Zusammensetzung eines sauren Regenwassers sei durch folgende Komponenten gegeben:
| 0.02 mM HNO3 | (Salpetersäure) |
| 0.03 mM H2SO4 | (Schwefelsäure) |
| 0.01 mM HCl | (Salzsäure) |
| 0.02 mM NH3 | (Ammoniak) |
Gesucht wird der pH-Wert für drei unterschiedliche Szenarien:
| 1. bei Vernachlässigung der Carbonatspezies (ohne CO2-Austausch) | |
| 2. mit Berücksichtigung des CO2-Austauschs (“offenes System”) | |
| 3. mit CO2-Austausch und im Kontakt mit Calcit |
Vorgehensweise – Teilaufgabe 1
Man beginnt mit reinem Wasser (Taste H2O) und nutzt das Reaktionsmodul (Taste Reac). Dort trägt man die vier Komponenten ein — siehe Bild rechts. Die Reihenfolge der Reaktanten ist beliebig. Danach Start-Taste.
Das Ergebnis wird sofort (wie im rechten Screenshot) angezeigt:
| pH = 4.16 |
Die komplette Zusammensetzung des Wassers wird in den nachfolgenden Tabellen/Fenstern angezeigt. Der Einfluss der drei Säuren wird hierbei durch das Ammoniak ein wenig kompensiert.
Vorgehensweise – Teilaufgabe 2
Zur Berechnung des offenen CO2-Systems gehe man wie in Teilaufgabe 1 vor. Bevor man aber auf Start klickt, öffne man mit Setup die Optionseinstellungen und aktiviere “Offenes CO2 System”. Der schon voreingestellte Wert für den CO2-Partialdruck (pCO2 = 3.408) entspricht der Zusammensetzung von Luft unter Normalbedingungen.
Wie die Berechnung (im rechten Bild) zeigt, bleibt der pH-Wert unverändert bei
| pH = 4.16 |
Dem System sind jetzt allerdings Carbonatspezies zugeführt worden; der DIC beträgt nun 0.013 mM. Im sauren Bereich von pH 4.16 liegt der DIC hauptsächlich in Form von CO2(aq) vor.
Vorgehensweise – Teilaufgabe 3
Es bleibt alles wie in Teilaufgabe 2, nur zu Beginn (im Hauptfenster) aktiviere man das Kontrollkästchen Minerale und gebe eine Startmenge an Calcit vor (z.B. 1 mmol/L) — siehe hier.
Es werden 0.56 mM Calcit aufgelöst (= 1 mM Ausgangsmenge – 0.44 mM ausgefallene Menge). Damit steigt der pH-Wert deutlich an und neutralisiert das saure Regenwasser:
| pH: 4.16 ⇒ 8.21 |
Die Ergebnisse im rechten Bild beziehen sich auf die Eingabe von 1 mM Calcit. An der Zusammensetzung und am pH des Wassers ändert sich aber nichts, wenn man andere Calcit-Startmengen vorgibt (sofern sie größer als 0.56 mM Calcit sind, z.B. 5 oder 10 mM). Mit anderen Worten, die aufgelöste Calcit-Menge ist vom Startwert unabhängig.
[Hinweis: Die eingetragene Calcitmenge bleibt in der Mineralliste solange bestehen, bis man ein neues Inputwasser einliest, d.h. bis man entweder auf die Taste H2O oder Open klickt.]
Stickstoff-Spezies und Redoxreaktionen
Das Regenwasser enthält 0.04 mM Stickstoff (= 0.02 mM HNO3 + 0.02 mM NH3), d.h. der Stickstoff existiert hier in zwei Redoxzuständen: N(5) und N(-3). Die Gesamtmenge an Stickstoff ändert sich in den Reaktionen mit CO2 und Calcit nicht, ändern kann sich nur die Gleichgewichtsverteilung der Stickstoff-Spezies (Disproportionierung).
In diesen Berechnungen wurde davon ausgegangen, dass die Redoxübergänge zwischen den Stickstoff-Spezies kinetisch stark gehemmt sind (was auch in etwa den realen Bedingungen entspricht). Im Programm werden die Übergänge deshalb ausgeschaltet:
| kein Redoxübergang: | N(5) | ⇔ | N(3) | ||
| kein Redoxübergang: | N(5) | ⇔ | N(0) | ||
| kein Redoxübergang: | N(5) | ⇔ | N(-3) |
Diese Voreinstellung kann der Nutzer aber auch ändern — siehe hier.