Chemie » Für Förbi: Schwermetalle und Ozon

Anbei wie besprochen der link:
http://www.chemievorlesung.uni-kiel.de/1992_umweltbelastung/

vielen Dank.

Zwar verdampft Quecksilber nur in ganz geringem Umfang, doch reicht diese Menge aus, um - wenn sie über einen langen Zeitraum über die Atemluft aufgenommen wird - Erkrankungen auszulösen. STOCK hat die Vergiftungssymtome genau beschrieben, die durch eine solche Aufnahme von metallischem Quecksilber über die Atemwege auftreten. Anfangs ist es nur ein leichtes Bluten des Zahnfleisches, später folgen Gedächtnisschwäche, Kopfschmerzen, Verdauungsstörungen bis hin zu schwersten Schädigungen des Nervensystems. Das inhalierte Quecksilber sammelt sich im menschlichen Körper an und wird nur langsam mit dem Harn wieder ausgeschieden.

Bei metallischem Quecksilber führen die chronischen Wirkungen von inhalierten Quecksilberdämpfen zur gesundheitlichen Beeinträchtigung, dagegen ist die akute Toxizität, d.h. die kurzzeitig wirkende Giftigkeit, von Quecksilber gering. Wird metallisches Quecksilber verschluckt, wird es vom Körper kaum aufgenommen und entfaltet keine toxischen Wirkungen. Daher sind die Berichte auch durchaus glaubwürdig, daß man im Mittelalter metallisches Quecksilber zur Behandlung von Verstopfungen verabreichte.


sehr fein. Da steht viel drin.

Wichtig vor allem eine gewisse Struktur, damit du nicht alles kunterbunt durcheinander erzählst.:

Heute wissen wir, daß bei der Vergiftung durch "Quecksilber" drei verschiedene Fälle zu unterscheiden sind:

Vergiftungen durch

1. metallisches Quecksilber,
2. Quecksilbersalze mit dem Ion Hg2+,
3. organische Quecksilberverbindungen, vor allem Methylquecksilber, CH3HgX

und dazu dann jeweils die Beispiele und Geschichten von heute


Und dann am Ende einen Überblick wie Quecksilber in die Nahrungskette gelangt --> siehe am Ende des Artikels.

ok.

Ich hab jetzt Atmosphäre, Ozon, Ozonloch etc. in ein Worddokument geschrieben. Das Problem ist nur, dass die ganzen Formeln hier im Forum nicht richtig angezeigt werden.
Leider sieht man auch nicht, was ich im Worddokument alles Fett markiert bzw. unterstrichen habe.
Es sind halt die wichtigen Dinge für Physik auch in diesem Text drin.



Atmosphäre:
Hadley-Zelle:
Das Luftkreislaufsystem, dem die Passate entspringen, wird nach ihrem Entdecker zu ehren Hadley-Zelle genannt.
Die Hadley-Zelle ist ein vertikales, geschlossenes, thermisch bedingtes Zirkulationssystem auf jeder Seite des meteorologischen Äquators zwischen der äquatorialen Tiefdruckrinne und dem subtropischen Hochdruckgürtel. Es wird angetrieben von der starken Erwärmung der Luft im Bereich des Äquators – hier steigt die Luft auf (bis zur Tropopause) und strömt in höheren Schichten polwärts, wobei die Strömung durch die Erdrotation immer mehr nach Osten abgelenkt wird.
In etwa 30° Breite fliegt die Luft in den unteren Schichten der Atmosphäre als Passat äquatorwärts zurück. Beide Passatströmungen treffen sich in der innertropischen Konvergenz, womit sich die Hadley-Zelle schließt. Die Hadley-Zelle ist ein Glied in der allgemeinen Zirkulation der Atmosphäre.

Zirkulation der Atmosphäre, planetarische Zirkulation, die Gesamtheit aller großräumigen Luftbewegungen auf der Erde.
Aus der unterschiedlichen Verteilung der Wärme auf der Erde und der daraus resultierenden Luftdruckverteilung ergeben sich Luftströmungen, die unter der Einwirkung der Erdrotation und der Reibungskraft zu einer komplizierten atmosphärischen Zirkulation führen. Sie übernimmt den meridionalen Wärmetransport von den tropischen Wärmeüberschussgebieten zu den Wärmedefizitgebieten. Aber auch warme und kalte Meeresströmungen sind an der Aufrechterhaltung einer im Mittel ausgeglichenen Wärmebilanz des Systems Erde – Atmosphäre beteiligt. Motor dieser Zirkulation der Atmosphäre ist die Energie der Sonnenstrahlung.
Auf der rotierenden Erde werden die Luftströmungen, die durch die unterschiedliche Erwärmung der Erdoberfläche und die daraus resultierende Luftdruckverteilung entstehen, vor allem durch die ablenkende Kraft der Erdrotation (Coriolis-Kraft) und die Erhaltung des Drehimpulses modifiziert. Dadurch wird auf der Nordhalbkugel die vom Äquator nordwärts strömende Luft immer mehr nach Osten abgelenkt, sodass schließlich ein Westwind entsteht, während die vom Pol ausgehenden Nordwinde zunehmend nach Westen zu Ostwinden umbiegen. Unter dem Einfluss der Erdrotation kann deshalb ein direkter Wärmeaustausch zwischen dem Äquator und dem Pol, wenn überhaupt, nur in sehr abgeschwächter oder modifizierter Form zustande kommen.
Zirkulationsglieder: Der meridionale Wärmetransport vollzieht sich hauptsächlich in 3 Zirkluationsgliedern, die teilweise ineinander übergreifen und zwar in tropischen und polaren Hadley-Zellen sowieso in der Ferrel-Zirkulation.
In den tropischen Hadley-Zellen steigt die in der innertropischen Konvergenzzone zusammengeströmte, stark erwärmte und überwiegend feuchte Luft in die Höhe und fließt polwärts ab, wobei ihre Westwindkomponente aufgrund der Coriolis-Kraft immer mehr zunimmt. Jenseits von etwa 15° nördlicher Breite sinkt die Luft großräumig ab, im Jahresmittel im gesamten Subtropenbereich. In diesem Divergenzgebiet befindet sich der subtropische Hochdruckgürtel, aus dem die Luft äquatorwärts als Passat und polwärts in die Westwindzone der gemäßigten Breiten abfließt. Die polaren Hadley-Zellen, besonders am Nordpol, sind weniger beständig und intensiv, als die in den Tropen. In den polaren Hochdruckgebieten sinkt die durch Ausstrahlung stark abgekühlte Luft ab und strömt in Bodennähe auseinander, wobei östliche Winde vorherrschen. Zum Ersatz muss in der Höhe Luft polwärts transportiert werden.
Zwischen den tropischen und polaren Zirkulationszellen entwickeln sich in den gemäßigten Breien, etwa zwischen 35° und 65° nördlicher Breite, andere Zirkulationsformen, die durch Wirbel mit senkrechter Achse – zyklonal oder antizyklonal rotierend – gekennzeichnet sind = Ferrel-Zirkulation, Ferrel-Zelle, Ferrel-Typ!
Nach heutiger Auffassung sind die Zyklonen und Antizyklonen der Westwindzone und die mit ihnen verbundenen langen Wellen in der Höhenströmung keine Störungen, sondern wesentliche Bestandteile der allgemeinen atmosphärischen Zirkulation, indem sie mit ihren Luftmassentransporten immer wieder die strahlungsbedingten Temperaturgegensätze zwischen südlichen und nördlichen Breiten verringer und damit die Herstellung einer ausgeglichenen Wärmebilanz ermöglichen.
Planetarisches Luftdruck- und Windsystem:
Die allgemeine Zirkulation der Atmosphäre kann schematisch durch das planetarische Luftdruck- und Windsystem dargestellt werden.
Die mittlere Luftdruckverteilung am Boden ist auf jeder Halbkugel durch vier Luftdruckgürtel gekennzeichnet, die annähernd parallel zu den Breitenkreisen angeordnet sind:
Äquatoriale Tiefdruckrinne im Bereich des thermischen Äquators. Sie deckt sich mit der innertropischen Kovergenzzone, die, dem Sonnenhöchststand folgend, auf den Festländern weit nach Norden und Süden wandern kann. (Nordsommer, Nordwinter)
Subtropischer Hochdruckgürtel der in mehrere Hochdruckzellen aufgespalten ist. (Azorenhoch, Pazifikhoch)
Subpolare Tiefdruckrinnen (Hauptaktionszentren auf der Nordhalbkugel: Islandtief und Aleutentief)
Polare Hochdruckzonen

Aufgrund dieser Druckverteilung ergeben sich unter dem Einfluss der Erdrotation mehr oder weniger beständige Windsysteme.
Vorwiegend schwache östliche, gelegentlich auch westliche Winde in der äquatorialen Tiefdruckrinne.
Beständige Passate (Nordost- bzw. Südostpassat)
Vorwiegend westliche Winde zwischen den subtropischen Hochdruckgürteln und den subpolaren Tiefdruckrinnen (Westwindzone der gemäßigten Breiten)
Vorherrschend östliche Winde zwischen den polaren Hochdruckgebieten und den subpolaren Tiefdruckrinnen (polare Ostwinde)


Aufbau der Atmosphäre:
Troposphäre: 2-10km – Temperatur sinkt
Tropopause: 10-20km – Temperatur sinkt weiter
Stratosphäre: 20-40km – ab Stratosphäre steigt die Temperatur wieder
Stratopause: 40-60km – Temperatur fällt wieder
Mesosphäre: 60-100km – Temperatur steigt bis Mesopause
Mesopause: 100-200km – Temperatur wächst wieder an
Thermosphäre: 200-800km


Im oberen Teil unserer Lufthülle, der Stratosphäre, befindet sich in 20-40km Höhe eine Schicht, die das Gas Ozon (O_3) in größerer Konzentration enthält als die übrige Atmosphäre.
Diese dreiatomige Sauerstoffvariante entsteht aus dem normalen Sauerstoff in der Luft durch die Einwirkung der kurzwelligen und sehr energiereichen UV-Strahlung in dieser Höhe. Andererseits werden die Ozonmoleküle durch UV-Licht auch wieder zerstört, sodass sich durch Zerfall und Neubildung eine konstante Konzentration an Ozon bildete.
1966 entdeckten britische Wissenschaftler über der Antarktis ein „Loch“ in dieser Ozonschicht, das immer größer wird. Es entsteht immer im Frühjahr und überschreitet zeitweise die Größe der Landfläche der USA. Man hat errechnet, dass dort über 40% des ursprünglich vorhandenen Ozons verschwunden sind. Je weniger Ozon vorhanden ist, desto geringer wird die harte UV-Strahlung der Sonne von der Erde zurückgehalten.
Ozon schirmt die UV-Strahlung ab. Über der Antarktis gelangt die Strahlung durch ein „Loch“ in stärkerem Maße als bisher auf die Erde.

Chlorfluorkohlenwasserstoffe – CFKW’s
Der Name CFKW ist eine Sammelbezeichnung für niedermolekulare Kohlenwasserstoffverbindungen, due außer dem Element Kohlenstoff meist nur die Elemente Chlor und Fluor enthalten.
Die CFKW’s sind im allgemeinen leicht zu verflüssigende, farblose Gase oder leicht flüchtige Flüssigkeiten von hoher thermischer und chemischer Beständigkeit. Sie sind unbrennbar und in der Regel nicht giftig.
Unter der Handelsbezeichnung FREON und FRIGEN werden die CFKW’s in vielen Bereichen eingesetzt: Sie dienen als Treibmittel in Spraydosen, als Kältemittel in Klimaanlagen, als Feuerlöschmittel, als Lösungsmittel in der chemischen Reinigung, in der chemischen Industrie z.B. zum Verschäumen von Kunststoffen. Einige spezielle Verbinden werden als risikoarme Narkosegase in der Medizin eingesetzt.

2 besondere Auswirkungen auf die Erde:
Sobald die Stratosphäre weniger UV-Strahlung zurückhält, wird diese Strahlung ihre Energie an die darunter liegende Schichte unserer Lufthülle (Troposphäre), als Wärmeenergie abgeben. Die Abkühlung der Stratosphäre ginge einher mit einer Erwärmung der Troposphäre. Dieser Umstand könnte den befürchteten Treibhauseffekt beschleunigen, der bei einer Zunahme an Kohlenstoffdioxid in der Lufthülle droht und zu Klimaveränderungen mit katastrophalen Folgen führen.
Eine intensive UV-Strahlung würde auf der Erdoberfläche alle biologischen Systeme erheblich schädigen. Experimente haben gezeigt, dass bei Landpflanzen die Photosynthese gestört wird. Die Folge: Zwergwuchs und geringerer Fruchtansatz. Bei einer Erhöhung der harten UV-Strahlung um 20% ginge die Zahl der Fischlarven um etwa 10% zurück. Bei einem Anstieg um 50% wäre mit einem 35%igem Produktionsausfall der Meeresalgen zu rechnen, die als wichtige Sauerstrofflieferanten dienen.

Hautkrebs-Erkrankungen




Die Chemie der Zerstörung der stratosphärischen Ozonschicht:
(Physikteil):
In der Stratosphäre wird Ozon nach einer schon 1930 beschriebenen Reaktionsfolge auf- und abgebaut. Zwischen diesen beiden Reaktionen stellt sich ein Gleichgewicht ein, das zu einem weitgehend konstanten Ozongehalt führt.
Aufbau: O_2  2O λ < 240nm (1)
O + O_2  O_3 (2)

Abbau: O_3  O_2 + O λ < 310nm (3)
O_3+ O  2 O_2 (4)


(Chemieteil):
In diesen Mechanismus von Aufbau und Abbau des Ozons können Spurengase eingreifen, die durch die Troposphäre unzersetzt hin durchwandern und in die Stratosphäre gelangen. Beispiele hierfür sind die Moleküle H_2 O und N_2 O (Lachgas):
H_2 O  OH + H λ < 185nm (5)
N_2 O  N_2 + O λ < 320nm (6)

Wegen der geringen Konzentration, in der sie vorliegen, ist ihre Wirkung vorwiegend katalytischer Natur. Auch andere Spurengase werden durch die harte und intensive UV-Strahlung in der Stratosphäre zu Radikalen (X) gespalten, sodass der katalytische Abbau des Ozons über einen allgemein gültigen Mechanismus beschrieben werden kann:

O_3 + X  O_2 + XO (7)
XO + O  O_2 + X (8)
Gesamtbilanz: O_3 + O  2 O_2 (7+8)

Die Bilanz weißt auf, dass zusätzlich zu dem direkten Abbau nach Gleichung (3) ein katalytischer Mechanismus in gleicher Richtung wirksam ist und die Tendenz des Abbaus verstärkt. Als wichtigste Radikale sind zu nennen: X = HO, NO, Cl, Br.

Alle diese Radikale waren auch schon in vorgeschichtlicher Zeit in der Atmosphäre. Dies gilt auch für Chor- und Bromradikale, da Chlor- und Bromkohlenwasserstoffe „natürlich“ in Meeresalgen gebildet werden und von dort aus in die Atmosphäre gelangen. Dabei entfaltet ein einzelnes Chlorradikale eine besonders hohe katalytische Aktivität, indem es mehrere tausendmal die oben beschrieben Kettenreaktion durchlaufen kann, bevor es durch bestimmte Verbindungen abgefangen wird und seine katalytische Aktivität verliert. Die Menge an Brom- und Chlorradikalen, die schon vor der menschlichen Einwirkung in die Stratosphäre freigesetzt wurden, waren Teil des Gleichgewichtes.

Durch menschliche Aktivitäten gelangt heute ein Vielfaches der natürlichen Mengen an Chlor- und Bromradikalen in die Stratosphäre. Durch sie wird das empfindliche Gleichgewicht gestört, der Abbau des Ozons überwiegt.
Besonders wichtig sind hier die bereits erwähnten CFKW’s, wegen ihrer großen chemischen Stabilität werden sie in der Troposphäre nicht abgebaut und wandern langsam durch die Tropopause in die Stratosphäre. Dort können sie aber von harter UV-Strahlung gespalten werden – ein Vorgang, der erst ab einer Höhe von etwa 20km abläuft.
〖CF〗_3 Cl  〖CF〗_3+ Cl λ < 220nm (9)
Die gebildeten Chlorradikale reagieren mit Ozon nach dem beschriebenen Mechanismus. Für das Abfangen der Chlorradikale sind vor allem Moleküle wie 〖CH〗_4 und 〖NO〗_2 wichtig, die über Diffusionsprozesse ebenfalls in die Stratosphäre gelangt sind:

〖CH〗_4 + Cl  〖CH〗_3 + HCl (10)
〖NO〗_2 + ClO  ClO〖NO〗_2 (11)

Salzsäuregas (HCl) und Chlornitrat (ClO〖NO〗_2) sind die wichtigsten Senken für Chlor in der Stratosphäre, da diese Verbindungen unter den dort herrschenden Bedingungen sehr beständig sind. Sie wandern dann langsam zurück in der Troposphäre und gelangen mit dem Regen wieder zur Erde zurück.


Das Ozonloch in der Antarktis:
Tausende Kilometer entfernt von den Hauptemmissionsquellen, wie Europa oder Nordamerika, entsteht am Südpol das „Ozonloch“. Weshalb entsteht es dort und zurzeit NUR dort? 3 Entstehungsbedingungen:
Wichtigstes Element ist die Ausbildung einer über Monate stabilen Schicht mit einer Temperatur von -80°C und darunter in der Stratosphäre. Solche Temperaturen werden nur gegen Ende des Winters an den Polen erreicht – nach monatelanger Polarnacht.
Solche besonders stabilen Verhältnisse werden vor allem am Südpol erreicht.
In der normalerweise sehr trockenen und wolkenfreien Stratosphäre bildet sich ein dünner Wolkenschleier großer Ausdehnung. Diese Eiswolken binden nicht nur die vorhandenen 〖NO〗_X-Moleküle, sondern auch ClO〖NO〗_2 und HCl.
An der Oberfläche der Eispartikel wird durch die Reaktion
ClO〖NO〗_2 + HCl (Eis)  〖Cl〗_2 + H〖NO〗_3 (Eis)
Chlor gebildet. Im antarktischen Frühling ist dies eine besonders effektive Quelle für
Cl- und ClO-Radikale, die in bekannter Weise das Ozon in hohem Umfang abbauen
können. Die für einen möglichen Abbau der Radikale und damit Schutz des Ozons
wichtige Stickstoffoxide sind zu diesem Zeitpunkt noch in den kalten Wolken im Eis
eingeschlossen und damit unwirksam.
In den Sommermonaten schließt sich das Ozonloch wieder: einmal sind die festgelegten „Schutzmoleküle“ wieder frei, zum anderen begünstigt die stärkere Sonneneinstrahlung die Neubildung von Ozon. Außerdem besteht die stabile Luftschicht in der Stratosphäre nicht mehr, sodass ozonreichere Luft nachströmen kann.
Eine solch drastische Ozonabnahme wie am Südpol wurde auf der Nordhalbkugel nicht beobachtet. Zwar ist auch hier ein Rückgang festzustellen, doch ist es am Nordpol im Vergleich zum Südpol deutlich „wärmer“, sodass sich dort keine stratosphärischen Wolken bilden können.

Ok, passt.