Benutzer:Lesendes Okapi/Stoffkreisläufe

Dieser Abschnitt ist noch im Entstehen und noch nicht offizieller Bestandteil des Buchs. Gib den Autoren Zeit, den Inhalt anzupassen!

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Unter Stoffkreisläufen versteht man in der Chemie Prozesse und Abfolgen von Reaktionen, die am Ende wieder die Ausgangsstoffe ergeben und sich somit ständig wiederholen.

Es gibt sowohl natürliche als auch technische Stoffkreisläufe.

Kalkkreislauf

Kalkstein, chemisch Calciumcarbonat, Summenformel $CaCO_{3}$, ist Hauptbestandteil vieler Sedimentgesteine wie Kreide, Kalkstein und Marmor und eine ziemlich häufige Verbindung in der Natur. Aber auch gehärteter Mörtel besteht aus Kalkstein.

Demzufolge unterscheidet man zwischen einem natürlichen und einem technischen Kalkkreislauf:

technischer Kalkkreislauf

1. Kalkbrennen

Nach der Gewinnung im Kalkwerk wird das Calciumcarbonat in einem Kalkofen auf 900 - 1200 °C erhitzt. Dabei spaltet es sich in Calciumoxid und Kohlenstoffdioxid auf.

$CaCO_{3}\ {\xrightarrow {\vartriangle }}\ CaO+CO_{2}\qquad \bigtriangleup H=179kJ$

Dieser Vorgang heißt Kalzination. Das Produkt Calciumoxid wird auch Branntkalk genannt.

2. Kalklöschen

Nun wird der gebrannte Kalk mit Wasser versetzt, wird das Wasser in einer stark exothermen Reaktion chemisch gebunden. Es entsteht Calciumhydoxid.

$CaO+H_{2}O\ {\xrightarrow {\ }}\ Ca(OH)_{2}\qquad \bigtriangleup H=-64kJ$

Calciumhydroxid, auch Löschkalk oder Staubkalk genannt, ist ein sehr alkalischer Stoff und sollte mit entsprechender Vorsicht gehandhabt werden. Selbiges gilt für Branntkalk, der bei Wasserzugabe sofort zu Löschkalk reagiert.

3. Mischen

Dies ist keine richtige chemische Reaktion. Man kann den Löschkalk mit Wasser vermischen, sodass abhängig von der Wassermenge Sumpfkalk, Kalkfarbe oder Kalkmilch entsteht, und sie dann als weiße Farbe zum Kalken von Wänden verwenden. Oder man gibt noch Sand hinzu, bis daraus ein zäher Brei, der Kalkmörtel entsteht.

4.Abbinden/Aushärten

Der noch feuchte und weiche Mörtel wird an der Luft hart. Dies liegt daran, dass der Löschkalk mit dem Kohlenstoffdioxid aus der Luft reagiert. Dabei entsteht wieder Kalkstein

$Ca(OH)_{2}+H_{2}O\ {\xrightarrow {\ }}\ CaCO_{3}+H_{2}O\qquad \bigtriangleup H=-115kJ$

Mit der Bildung von Kalkstein (Calciumcarbonat) schließt sich der technische Kalkkreislauf.

Natürlicher Kalkkreislauf

1. Atmosphäre/Hydrosphäre

1. Das Kohlendioxid aus der Luft reagiert mit Wasser zu Kohlensäure. Dies geschieht sowohl in Gewässern als auch in den Wolken.

$CO_{2(g)}+H_{2}O_{(l)}\ \rightleftharpoons \ H_{2}CO_{3(aq)}$

2. Die Kohlensäure dissoziiert im Wasser zu einem negativ geladenen Hydrogencarbonat-Ion und einem Hydroxoniumion.

$H_{2}CO_{3(aq)}+H_{2}O_{(l)}\ \rightleftharpoons \ HCO_{3(aq)}^{-}+H_{3}O_{(aq)}^{+}$

Lithosphäre(Verwitterung)

1. Das Kalciumcarbonat(Kalkstein) dissoziiert in Wasser geringfügig zu Cacium-Ionen und Carbonat-Ionen.

$CaCO_{3(s)}\ \rightleftharpoons \ Ca_{(aq)}^{2+}+CO_{3}^{2-}\ _{(aq)}$

2. Die Kohlensäure im Wasser reagiert mit Calciumcarbonat zu leicht löslichem Calciumhydrogencarbonat.

$H_{2}CO_{3(aq)}+CaCO3{(s)}\ \rightleftharpoons \ Ca(HCO_{3})_{2(aq)}$

Nachfolgend ist diese Reaktion noch einmal detailliert mit den einzelnen Ionen dargestellt:

2.1 Carbonat-Ionen reagieren mit den bei der Dissoziation von Kohlensäure entstandenen Hydroxoniumionen zu Hydrogencarbonat-Ionen und Wasser.

$CO_{(aq)}^{2-}+H_{3}O^{+}\ \rightleftharpoons \ HCO_{3(aq)}^{-}+H_{2}O_{(l)}$

2.2 Calcium-Ionen reagieren mit den soeben entstandenen Hydrogencarbonat-Ionen zu Calciumhydrogencarbonat.

$Ca_{(aq)}^{2+}+2HCO_{3(aq)}^{-}\ \rightleftharpoons \ Ca(HCO_{3})_{2(aq)}$

Lithosphäre(Tropfsteinbildung)

Dieser Prozess ist ein sehr langsamer Prozess. Bei Entzug von Wasser (Trocknung) oder Kohlenstoffdioxid verschiebt sich das Gleichgewicht der folgenden Reaktionsgleichung nach rechts und es bildet sich aus Calciumhydrogencarbonat wieder Calciumcarbonat(Kalkstein), Kohlendioxid und Wasser:

$Ca(HCO_{3})_{2(aq)}\ \rightleftharpoons \ CaCO_{3(s)}+CO_{2(aq)}+H_{2}O_{(l)}$

Das entstandene Kohlendioxid und Wasser kehren in den Kreislauf zurück.

Kohlenstoffkreislauf

Beim Kohlenstoffkreislauf unterscheidet man zwischen dem ozeanischer oder geologischer genanntem Kreislauf einerseits, und dem biologischen Kreislauf andererseits.

Ozeanischer/geologischer Kohlenstoffkreislauf

Dieser Kreislauf ist ein langfristiger Kreislauf, da das Kohlendioxid nur langsam gebunden und langsam abgegeben wird.

Kohlenstofffixierung

Dieser Teil überschneidet sich teilweise mit dem Kalkkreislauf, bei dem Kohlenstoff ja auch eine große Rolle spielt.

1. Lösen

Zunächst wird das Kohlenstoffdioxid aus der Luft in Wasser gelöst.

$CO_{2(aq)}\ \rightleftharpoons \ CO_{2(aq)}$

2.Bildung der Kohlensäure

Der gelöste Kohlenstoffdioxid reagiert mit Wasser zu Kohlensäure.

$CO_{2(aq)}+H_{2}O\ \rightleftharpoons \ H_{2}CO_{3(aq)}$

Hierbei wäre noch anzumerken: Wenn der $CO_{2}$-Gehalt unserer Luft ansteigt, führt dies zu einer vermehrten Bildung von Kohlensäure. Insofern führt die Umweltverschmutzung durch den $CO_{2}$-Ausstoß neben der Klimaerwärmung auch zur Übersäuerung der Meere.

3.Dissoziation

1. Stufe:

Die Kohlensäure dissoziiert im Wasser zur Hydrogencarbonat und Oxoniumionen.

$H_{2}CO_{3(aq)}^{-}+H_{2}O_{(l)}\ \rightleftharpoons \ HCO_{3(aq)}^{-}+H_{3}O_{aq}^{+}$

2. Stufe:

Das Hydrogencarbonat gibt ein Wasserstoff an das Wasser ab. Es entsteht Carbonat und noch ein Oxoniumion.

$HCO_{3(aq)}^{-}+H_{2}O_{(l)}\ \rightleftharpoons \ CO_{3(aq)}^{2-}+H_{3}O_{(aq)}^{+}$

4. Fällung

Das Carbonat reagiert mit Calcium-Ionen aus dem Wasser zu schwer wasserlöslichem Calciumcarbonat.

$Ca_{(aq)}^{2+}+CO_{3(aq)}^{2-}\ \rightleftharpoons \ CaCO_{3(s)}$

In Form von Calciumcarbonat ist Kohlenstoff langfristig gespeichert.

Verwitterung

a) von Carbonatgestein(Kalk)

Das schwer wasserlösliche Calciumcarbonat reagiert in geringen Mengen mit Wasser und Kohlenstoffdioxid zu Calciumhydrogencarbonat, welches gut wasserlöslich ist.

$CaCO_{3}+H_{2}O+CO_{2}\ \rightleftharpoons \ Ca(HCO_{3})_{2}$

b)von Kerogenen

Kerogene sind Stoffe organischen Ursprungs und häufig Vorstufen von Erdöl, Kohle und Ähnlichem. Reagiert Kerogen mit Sauerstoff, entsteht Kohlenstoffdioxid und Wasser.

$Kerogen+O_{2}\ \rightleftharpoons \ CO_{2}+Wasser$

Biologischer Kreislauf

Der biologische Kohlenstoffkreislauf ist im Gegensatz zu den Vorhergehenden ein kurzfristiger Kreislauf. Kohlenstoff wird schnell aufgenommen und schnell wieder freigesetzt. Er besteht aus zwei Teilen, die man wiederum fast als eine Gleichgewichtsreaktion auffassen kann:

Fotosynthese

Dank dem Pflanzenfarbstoff Chlorophyll können grüne Pflanzenteile mithilfe der Sonnenenergie Kohlenstoffdioxid und Wasser in Glucose und Sauerstoff umwandeln.

$6CO_{2}+6H_{2}O\ {\xrightarrow {h\nu }}\ C_{6}H_{12}O_{6}+O_{2}$

Das h-ny über dem Pfeil steht für Licht, da diese Reaktion nur bei Licht stattfindet. Ny ist ein griechischer Buchstabe.

Zellatmung

Die Zellatmung ist die Umkehrung der Photosynthese. In Zellen (zum Beispiel in unserem Körper) wird die Glucose (zum Beispiel aus ebenjenen oben erwähnten Pflanzen, die wir verzehrt haben :) wieder in Kohlenstoffdioxid und Wasser umgewandelt. Dabei wird Energie frei, die die Zelle zum Leben braucht.

$C_{6}H_{12}O_{6}+O_{2}\ {\xrightarrow {\ }}6CO_{2}+6H_{2}O$

Stickstoffkreislauf

Achtung! Sofern dieser Kasten hier steht, bedeutet dies, dass der nachfolgende Abschnitt noch nicht von einem erfahrenen "Chemiker" korrekturgelesen wurde. Der Stickstoffkreislauf ist hier nur sehr grob skizziert und kann viele Fehler enthalten. Dementsprechend ist der nachfolgende Abschnitt nur mit Vorsicht zu genießen: )

--Lesendes Okapi 18:37, 19. Mai 2017 (CEST)

Aber vielleicht möchtest Du ja den Text korrekturlesen? Über Bearbeitungen und Verbesserungsvorschläge auf der Diskussionsseite würde ich mich sehr freuen!

Der Stickstoffkreislauf ist vor allem für die Pflanzen von besonderer Bedeutung. Doch obwohl unsere Atmosphäre aus 78% Stickstoff besteht, ist er für die Pflanzen in dieser Form nicht direkt nutzbar. Der Stickstoffkreislauf ist ein kurzfristiger Kreislauf, da es außer der Atmosphäre keine langfristigen Stickstoffkreisläufe gibt, was vor allem daran liegt, dass Stickstoff fast keine wasserunlöslichen Mineralien bildet.

1. Stickstofffixierung

In der Atmosphäre kommt Stickstoff nur als $N_{2}$, also als Doppelmolekül vor, welches durch Dreifachbindungen zusammengehalten wird: $N\equiv {N}$ . Diese Bindungen sind sehr stark, sodass die Pflanzen sie nicht aufspalten können - dazu sind nur spezielle Bakterien in der Lage.

Zunächst spalten die Bakterien das Stickstoffmolekül auf und verwenden es für Amine:

$N_{2}\ {\xrightarrow {Bakterien}}\ -NH_{2}$

Der Rest $-NH_{2}$ bezeichnet eine Aminogruppe.

2. Ammonifikation

Anschließend werden die Amine von Bakterien zu Ammoniak oder Ammonium umgewandelt.

$-NH_{2}{\xrightarrow {Bakterien}}\ NH_{3}/NH_{4}$

3. Nitrifikation

Das Ammoniak und Ammonium wird zu Nitrit umgesetzt. Es gibt auch Knöllchenbakterien, die den atmosphärischen Stickstoff direkt in Nitrat umwandeln.

$NH_{3}/NH_{4}+3O_{2}\ {\xrightarrow {Bakterien}}\ NO_{2}^{-}+2H+2H_{2}O$

Das entstandene Nitrit kann relativ leicht in Nitrat, $NO_{3}^{2-}$, überführt werden, welches die für die meisten Lebewesen verwertbare Form darstellt. Die meisten Lebewesen benötigen Stickstoff für die Proteinbiosynthese, bei der aus Aminosäuren mit der namengebenden Aminogruppe $-NH_{2}$ erst Proteine hergestellt werden und dann ein Teil dieser wiederum zu Enzymen, die weitere Stoffe synthetisieren.

4. Denitrifikation

Manche Bakterien können unter anaeroben Bedingungen, d.h. in Abwesenheit von Sauerstoff auf die Nitratatmung umsteigen. Dabei überführen sie Nitrite oder Nitrate in mehreren Schritten wieder in Stickstoff. Die entstandene Energie dient zur Erhaltung von Lebensprozessen.

$NH_{3}/NH_{4}+H\ {\xrightarrow {Bakterien}}\ N_{2}+H_{2}O$

Der Stickstoff entweicht wieder in die Atmosphäre. Damit schließt sich der Kreis.