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1991 | Buch | 2. Auflage

Chemie und Umwelt

Ein Studienbuch für Chemiker, Physiker, Biologen und Geologen

verfasst von: Prof. Dr. Andreas Heintz, Dr. Guido Reinhardt

Verlag: Vieweg+Teubner Verlag

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Über dieses Buch

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.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Einleitung
Zusammenfassung
Die zunehmende Belastung der Erdoberfläche und der Lufthülle durch Umweltchemikalien 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 rapide 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].
Andreas Heintz, Guido Reinhardt
1. Entwicklung und Struktur der Erdatmosphäre
Zusammenfassung
Der Lebensraum auf der Oberfläche der Erde ist klein im Vergleich zum Erdvolumen. Nur auf dem festen Land sowie in den Meeren und Gewässern gibt es Leben, denn Entstehung und Erhaltung des Lebens benötigt das Licht der Sonne als Energiequelle. Der Lebensraum auf der Erdoberfläche heißt Biosphäre. Das Leben spielt sich in drei Bereichen ab, dem Wasser (Hydrosphäre), dem Boden (Pedosphäre) und der Erdatmosphäre mit ihren lebenswichtigen Gasen Sauerstoff O2 und Kohlendioxid CO2. Der in der Luft mengenmäßig am häufigsten vorkommende Stickstoff N2 spielt dabei eine untergeordnete, wenn auch keineswegs vernachlässigbare Rolle.
Andreas Heintz, Guido Reinhardt
2. Der Treibhauseffekt der Erdatmosphäre und sein Einfluß auf das Weltklima
Zusammenfassung
Dieses Zitat stammt aus einer gemeinsamen Erklärung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft und der Deutschen Meteorologischen Gesellschaft, dem Aufruf “Warnung vor drohenden weltweiten Klimaänderungen durch den Menschen” [5], an der führende, bundesdeutsche Klimatologen beteiligt waren. Wie kamen die Wissenschaftler zu dieser doch sehr erschreckenden Aussage, und welche Auswirkungen für das Leben auf der Erde haben wir zu befürchten? Um dieser Frage nachzugehen, ist es zunächst notwendig zu wissen, von welchen Faktoren die klimatischen Verhältnisse am Erdboden wie mittlere Jahrestemperatur, Wolkenbildung und Niederschläge sowie Hauptströmungsrichtungen der Luftmassen und der Meere abhängen. Die Hauptfaktoren sind:
  • Intensität der Sonneneinstrahlung auf der Erde
  • Zusammensetzung der Erdatmosphäre
Andreas Heintz, Guido Reinhardt
3. Chemie der Troposphäre
Zusammenfassung
Die Chemie der Troposphäre ist im wesentlichen eine Photochemie der atmosphärischen Spurengase unter dem Einfluß der Sonnenstrahlung. Sie ist eng verknüpft mit den chemischen Prozessen in der Biosphäre. Durch das Eingreifen des Menschen ist es zu Störungen der natürlichen Abläufe dieser Prozesse gekommen. Umwelt aus Wirkungen wie Smog, Saurer Regen, Wald- und Gebäudeschäden sind die Folge. Die Ursachen dieser Probleme, von denen eine große Gefahr für den Menschen und insgesamt für die belebte Natur ausgeht, werden in diesem Kapitel behandelt.
Andreas Heintz, Guido Reinhardt
4. Entstehung, Stabilität und Gefährdung der atmosphärischen Ozonschicht
Zusammenfassung
Die Atmosphäre der Erde besitzt in 15–50 km Höhe, also in der Stratosphäre, eine Luftschicht, in der neben den Luftbestandteilen Stickstoff und Sauerstoff auffallend hohe Konzentrationen an Ozon O3 auftreten, die sogenannte Ozonschicht. Die Gesamtmenge des atmosphärischen Ozons ist recht klein. Würde man das Gas in einer einzigen über der Erdoberfläche verteilten homogenen Schicht auf 1 bar bei 0°C komprimieren, so wäre diese Schicht nur ca. 3.5 mm dick. Dennoch ist die Ozonschicht für das Leben auf der Erde von existenzieller Bedeutung, da Ozon die sehr kurzwellige UV-Strahlung der Sonne absorbiert, die — könnte sie den Erdboden erreichen — dort das Leben außerhalb des Wassers und auch knapp unterhalb der Wasseroberfläche zerstören würde. Besorgnis und Interesse der Öffentlichkeit wurde durch Forschungsergebnisse geweckt, die zeigten, daß infolge der Emission bestimmter Spurengase, vor allem der sogenannten Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW), die wachsende Gefahr eines zunehmenden Abbaus der Ozonschicht und damit einer Zunahme der schädigenden Wirkung kurzwelliger UV-Strahlung besteht.
Andreas Heintz, Guido Reinhardt
5. Methoden zur Minderung von Luftschadstoffen
Zusammenfassung
Bei der Verbrennung von fossilen Energieträgern entstehen zwangsläufig Schadstoffemissionen. Einige dieser Stoffe schädigen die Umwelt in beträchtlichem Maß, so daß diese Emissionen auf ein Minimum reduziert werden müssen. Dies läßt sich unter anderem durch Vorbehandeln der Brennstoffe, Optimierung des Verbrennungsprozesses und durch Verminderungsmaßnahmen nach der Verbrennung erreichen. Wir wollen in diesem Kapitel vor allem näher auf Verminderungstechniken, die der Verbrennung nachgeschaltet sind, eingehen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Zusammensetzung der Emissionen stark von den verwendeten Brennstoffen abhängt (vgl. Tab. 5–1), aber auch von der Art der angewendeten Verbrennungstechnik, die z.B. bei Kraftwerken und Kfz-Motoren ganz unterschiedlich ist.
Andreas Heintz, Guido Reinhardt
6. Neuartige Waldschäden — Waldsterben
Zusammenfassung
Die seit Anfang der 80er Jahre verstärkt auftretenden Waldschäden haben ein erschreckendes Ausmaß angenommen. Betroffen sind weite Teile Mitteleuropas und Nordamerikas. Hält die bisherige Entwicklung weiter an, ist ein völliges Zusammenbrechen des Ökosystems Wald zu befürchten, was nicht vorhersehbare Konsequenzen hätte. Vor allem die zu erwartende Zunahme der Bodenerosion würde zu enormen Problemen des Wasserhaushaltes und der Landwirtschaft führen. Wir widmen daher dem Waldsterben ein separates Kapitel, zumal es immer deutlicher wird, daß die von Kraftwerken, Kfz-Motoren und durch den Hausbrand freigesetzten Schadstoffe als Hauptursachen für die Waldschäden angesehen werden müssen.
Andreas Heintz, Guido Reinhardt
7. Gefahren für Grund- und Oberflächenwasser
Zusammenfassung
Das Wasser der Erde besteht zum weitaus größten Teil, nämlich zu 97.4%, aus Salzwasser. Die restlichen 2.6% sind Süßwasser, wovon knapp vier Fünftel in Form von Polar- und Gletschereis vorliegen. Als Trinkwasser steht nur ein winziger Bruchteil der gesamten Wassermenge, nämlich 0.27%, zur Verfügung. Tab. 7–1 gibt die Zahlenverhältnisse wieder.
Andreas Heintz, Guido Reinhardt
8. Waschmittel als Umweltchemikalien
Zusammenfassung
Zu den gewässerbelastenden Schadstoffen gehören auch die Waschmittel. Gerade in den Industriestaaten haben sie einen beträchtlichen Anteil an der allgemeinen Schadstoffeinleitung. In diesem Kapitel werden wir uns mit der Bedeutung der Waschmittelinhaltsstoffe als Umweltchemikalien beschäftigen. Dabei kommt es weniger auf eine erschöpfende Darstellung der Chemie der Waschmittel an, als vielmehr auf Aspekte ihrer Umweltverträglichkeit und auf die Diskussion möglicher Maßnahmen, die zur Reduktion der Gewässerbelastung durch Waschmittel ergriffen werden können.
Andreas Heintz, Guido Reinhardt
9. Chemie in der Landwirtschaft: Düngemittel und Biozide (Pestizide)
Zusammenfassung
Schon seit längerem ist die moderne Landwirtschaft wachsender Kritik ausgesetzt. Die Art und Weise der intensiven Nutzung von Anbauflächen bringt es mit sich, daß sich schon kleine Änderungen in der Wirtschaftsweise gravierend auf das Ökosystem Boden auswirken können, z.B. durch Erosion, Grundwasserbelastung oder Rückgang der biologischen Artenvielfalt. Wir wollen hier nicht die zahlreichen Einzelaspekte der modernen Landwirtschaft diskutieren, sondern uns auf zwei wichtige Teilbereiche beschränken, in denen die moderne Chemie eine fundamentale Rolle spielt, die Mineraldüngung und den Einsatz von Pestiziden. Diese Einsatzgebiete tragen in erster Linie zu dem Teil der Umweltproblematik bei, der durch die Landwirtschaft verursacht wird.
Andreas Heintz, Guido Reinhardt
10. Schwermetalle in der Umwelt
Zusammenfassung
Als Schwermetalle bezeichnet man i.a. Metalle mit einer Dichte von mehr als 5 g cm-3. Zu ihnen gehören Eisen Fe, Kupfer Cu, Zink Zn, Chrom Cr, Nickel Ni, Cadmium Cd, Blei Pb, Thallium Tl und Quecksilber Hg, um die wichtigsten Vertreter zu nennen. Von Natur aus kommen diese Elemente und ihre Verbindungen in der Biosphäre nur in Spuren vor und sind im biologischen Kreislauf nur in äußerst geringen Konzentrationen anzutreffen. Einige von ihnen sind für viele Lebewesen lebensnotwendig wie z.B. Fe, Cu oder Zn. Sie gehören zu den biologisch essentiellen Metallen. Andere Schwermetalle wie Cd, Tl, Pb oder Hg werden von den Lebewesen nicht benötigt, sie heißen daher nichtessentielle Metalle. Sowohl essentielle als auch nichtessentielle Schwermetalle können beim Menschen und bei vielen anderen Lebewesen schon in leicht überhöhten Konzentrationen schwere Gesundheitsschäden hervorrufen. Die toxische Wirkung eines bestimmten Schwermetalls hängt zudem noch wesentlich davon ab, in welcher chemischen Form es vorliegt. So hat beispielsweise flüssiges Hg keine unmittelbare toxische Wirkung, während Methylquecksilberchlorid CH3HgCl ein sehr gefährliches Gift ist. Die toxische Wirkung eines Schwermetalls ist im allgemeinen um so größer, je besser die chemische Verbindung, in der es vorliegt, in Wasser oder in Fett löslich ist.
Andreas Heintz, Guido Reinhardt
11. Abwasserreinigung durch Kläranlagen
Zusammenfassung
Die Folgen verschmutzten Abwassers, das unsere Flüsse belastet, hier anhand einer realitätsnahen Schilderung des Schriftstellers Wilhelm Raabe aus dem Jahr 1884 dargestellt [1], ist nicht erst seit wenigen Jahren oder Jahrzehnten ein Problem der Zivilisation. Mit dem Seßhaftwerden des Menschen, zuerst in festen Siedlungen und später in Städten, trat es immer mehr in den Vordergrund, verstärkt seit Beginn des industriellen Zeitalters.
Andreas Heintz, Guido Reinhardt
12. Müll und chlorhaltige Chemikalien als Umweltproblem
Zusammenfassung
Das Ende der Kette von Rohstoffgewinnung, Produktion und Konsum ist der Abfall. Die Gesellschaften der Industrienationen, häufig als Leistungsgesellschaften, manchmal als Konsumgesellschaften bezeichnet, verdienen vielleicht am ehesten den Namen Abfallgesellschaften, denn der Kreislauf des materiellen Konsumflusses ist nicht geschlossen. Zu den natürlichen Rohstoffquellen wie Kohle, Erdöl, Metallerze und Steinsalz (NaCl) führt kein Weg zurück. Er endet vielmehr in wachsenden Müllbergen oder in Schadstoffen, die in Luft, Boden und Gewässer gelangen und sich dort zum Teil akkumulieren. Chlor beispielsweise, das aus Steinsalz gewonnen wird, endet in Form von PVC-Müll, als Salzsäure (HCl) oder als giftige, schwer abbaubare chlororganische Verbindung. Gerade beim Abfall gilt die Regel, daß Vermeiden vor Recycling, und Recycling vor Entsorgen geht. Unter diesem Aspekt wollen wir uns mit zwei wichtigen Teilbereichen der Abfallproblematik näher beschäftigen, die besonders im Mittelpunkt der Diskussion stehen: die Bewältigung der riesigen Mengen an Haus- und Gewerbemüll und als Beispiel für den sogenannten Sondermüll der Umgang mit chlorhaltigen Chemikalien.
Andreas Heintz, Guido Reinhardt
Backmatter
Metadaten
Titel
Chemie und Umwelt
verfasst von
Prof. Dr. Andreas Heintz
Dr. Guido Reinhardt
Copyright-Jahr
1991
Verlag
Vieweg+Teubner Verlag
Electronic ISBN
978-3-663-14200-3
Print ISBN
978-3-528-16349-5
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-663-14200-3