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Lexikon der Geowissenschaften: Wasserinhaltsstoffe

Wasserinhaltsstoffe, Sammelbezeichnung für alle im Wasser enthaltenen gasförmigen, gelösten, kolloidalen oder festen Stoffkomponenten. In der Natur kommt Wasser in reiner Form praktisch nicht vor; es sind immer anorganische oder organische Stoffe darin enthalten. Dabei können Wasserinhaltsstoffe die ursprünglichen physikalischen und chemischen Eigenschaften des Wassers wie Siedepunkt, Gefrierpunkt, Dichte, Oberflächenspannung u.v.a. erheblich verändern (Wasserchemismus). Weiterhin kann das Wasser Zwei-Phasen-Gemische mit Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen bilden. Man unterscheidet:

a) Salze: In der Natur vorkommendes Wasser enthält – je nach Herkunft oder Vorkommen – in verschiedenem Ausmaß gelöste Salze (ionisch aufgebaute Verbindungen). Die Metalle (z.B. Na+, K+) liegen dabei als positiv geladene Kationen vor, die Nichtmetalle (z.B. Cl-) oder deren Sauerstoffverbindungen (z.B. PO43-) als negative Anionen. Quellwasser mit einem Gehalt von mindestens 1 g/l an Salzen bezeichnet man als Mineralwasser, der Gehalt an Calcium und Magnesium bedingt die Wasserhärte. Meerwasser ist eine Lösung mit einer Salzkonzentration von ca. 3,5%.

Salze und Salzlösungen setzen den Dampfdruck über ihren Oberflächen herab. Davon wird besonders die relative Luftfeuchtigkeit betroffen. Die gesättigten Salzlösungen sind hygroskopisch; sie ziehen Wasserdampf aus der Luft an, verdünnen sich und setzen das Dampfdruckgefälle herab. Hygroskopische Salze dienen in der Atmosphäre als Kondensationskerne bei der Tropfenbildung, und die Dampfdruckerniedrigung über Lösungströpfchen bewahrt diese vor Verdunstung. Von der durch Salze veränderten zwischenmolekularen Bindung der Wassermoleküle werden auch der Schmelz- und Gefrierpunkt sowie der Siedepunkt des Wassers betroffen. Eine gesättigte Kochsalzlösung gefriert in Meereshöhe erst bei -22ºC. Durch Osmose werden Konzentrationsunterschiede von Flüssigkeiten, die durch Membranen getrennt sind, ausgeglichen. Dieser Vorgang wird durch das Ficksche Gesetz beschrieben. Die Osmose wird z.B. bei der Meerwasserentsalzung genutzt und spielt in der Physiologie der Organismen eine wichtige Rolle. Die Anwesenheit der Salze und deren Hydrolyse bestimmen daneben wesentlich den pH-Wert einer wäßrigen Lösung. Süßwasser weist überwiegend pH-Werte von 7±0,5 auf, Meerwasser im Durchschnitt einen pH-Wert um 8,2. Die Salze in wäßrigen Lösungen bedingen durch die Anwesenheit von Ionen eine elektrische Leitfähigkeit.

b) organische Stoffe: Eine bedeutende Gruppe der organischen Stoffe in Gewässern stellen die Huminstoffe dar. Sie stammen aus pflanzlichen Überresten (auch aus Mooren) und repräsentieren verschiedene Phasen des natürlichen Abbaus dieser Rückstände. In höherer Konzentration verleihen sie dem Wasser eine gelbliche Farbe (daher früher: Gelbstoffe). Eine weitere wichtige Gruppe organischer Stoffe in Gewässern sind die organischen Schadstoffe (Biozide, Pestizide). Ihre Einträge in die Umwelt erfolgen hauptsächlich durch Produktionsabwässer und durch die Anwendung in der Landwirtschaft. Sie können in entsprechender Konzentration eine erhebliche Verschlechterung der Gewässergüte bewirken und zur Gefahr für die Gewässerorganismen werden. Zahlreiche organische Schadstoffe zeigen die Eigenschaft, sich in diesen Organismen anzureichern (Bioakkumulation).

c) Gase: Wasser enthält im natürlichen Zustand Gase, entsprechend ihrem Partialdruck über der Wasseroberfläche und in Abhängigkeit von der Wassertemperatur. Die bei Sättigung gelöste Masse des Gases ist dem Partialdruck des Gases über der Flüssigkeit proportional (Henrysches Gesetz). Die Löslichkeit nimmt mit zunehmender Temperatur ab. Während Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff im Wasser nur mit zwei bis fünf Volumenprozent gelöst sind, kann ein Liter Wasser ca. einen Liter Kohlendioxid und einen Kubikmeter Ammoniak lösen. Das Wasser der Antarktis enthält beispielsweise im Mittel 5 ml O2 je Liter Wasser (0,5 Vol.-% O2), ist somit an Sauerstoff ungesättigt. Der Kohlendioxidgehalt beeinflußt den pH-Wert des Wassers. Während eines Dauerniederschlages nimmt Regenwasser einen pH-Wert von etwa 5,0 an, bedingt durch den Gleichgewichtszustand (=Neutralpunkt) von atmosphärischem Wasser mit Kohlendioxid (CO2), bei dem der pH-Wert 5,7 herrscht. Ca und Mg sind im Wasser als Hydrogencarbonat an Kohlensäure gebunden. Das Verhältnis Kalk zu Kohlensäure ist bei der Mischung von Wasser, z.B. bei Trinkwasserüberleitungen, von Bedeutung, es kann bei Veränderung des CO2-Gehaltes zu Wassertrübungen (Ausfällung) führen. Da der Kohlenstoff C des CO2-Gases Anteile des Kohlenstoffisotopes 14C enthält, ist eine Altersbestimmung des Wassers aus dem 14C/12C-Verhältnis möglich. Zu den gasförmigen Beimengungen gehört das radioaktive Edelgas Radon (222Rn) mit seinen ebenfalls radioaktiven Isotopen (Aktinon=219Rn, Thoron=220Rn u.a.). Die Radonisotope haben Halbwertszeiten von Mikrosekunden bis zu Tagen. Radon wird in tieferen Erdschichten ständig neu gebildet, gelangt vor allem im Quell- und Thermalwasser an die Erdoberfläche und wird gelegentlich zu Heilzwecken eingesetzt.

d) Zwei-Phasen-Systeme: Während Lösungen einphasige Systeme darstellen, kommen im Wasser auch mehrphasige Systeme vor, d.h. ein Nebeneinander der verschiedenen Phasen fest, flüssig bzw. gasförmig. Die zweiphasigen Systeme flüssig-fest (z.B. Wasser/Feststoffe) werden als Suspension, flüssig-flüssig (z.B. Wasser/Öl) als Emulsion und flüssig-gasförmig als Schaum bezeichnet. Ist die Hauptkomponente (das Kontinuum) dagegen ein Gas (Luft) und die diskreten Partikel Wasser oder Lösungen, spricht man von Nebel (Spray). Beispiele für Zwei-Phasen-Systeme in Gewässern sind die darin enthaltenen Schwebstoffe oder die Schaumbildung am Ende von Algenblüten. [HB]

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