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Eutroph

Eutroph

Mit dem Trophiensystem wird der Zustand von Stillgewässern dargestellt. Die Gewässergüte basiert auf dem Gehalt an organischen und anorganischen Nährstoffen. In der Limnologie wird das Gewässer anhand der Jahresdurchschnittswerte an Chlorophyll und Gesamtphosphorgehalt in vier Trophiestufen eingeteilt. Daneben spielen Sauerstoffsättigung, Farbe und Sichttiefe eine Rolle:

Charakterisierungen

- Oligotroph (Trophiestufe I):
Oligotroph sind Gewässer mit wenig Nährstoffen und daher geringer organischer Produktion. Die geringe Phosphatzufuhr begrenzt das Pflanzenwachstum; in sauerstoffreichem Wasser enthaltene freie Eisenionen binden Phosphat und entziehen es dem Stoffkreislauf (Phosphatfalle). Das Plankton ist zwar artenreich aber individuenarm. Das Gewässer bietet nur wenigen Fischen Lebensraum. Oligotrophe Gewässer haben meist bekieste Ufer mit geringem Pflanzenbewuchs, sie sind sehr klar. Das Wasser erscheint blau bis grün. Die Sauerstoffsättigung am Ende der Sommerstagnation liegt bei mehr als 70%. Die Sichttiefe ist größer als 6 m, allerdings mindestens 3 m).
- Mesotroph (Trophiestufe II):
Mesotroph werden Gewässer genannt, die sich in einem Übergangsstadium von der Oligotrophie zur Eutrophie befinden. Der Nährstoffgehalt ist höher und Licht kann noch in tiefere Wasserschichten eindringen. Mit zunehmender Dichte des Phytoplanktons ändert sich die Eindringtiefe des Lichtes. Die Sichttiefe beträgt noch mehr als zwei Meter und die Sauerstoffsättigung am Ende der Sommerstagnation zwischen 30 und 70%.
- Eutroph (Trophiestufe III):
Eutroph sind Gewässer mit hohem Nährstoffgehalt und daher hoher Produktion von Biomasse. Das Hypolimnion eutropher Gewässer ist im Sommer sehr sauerstoffarm, das Epilimnion dagegen übersättigt mit Sauerstoff. Das Plankton ist sehr arten- und individuenreich. Der Grund des Gewässers ist mit einer anaeroben Faulschlammschicht (Mudde, Gyttja) bedeckt, die massenhaft mit Schlammröhrenwürmern und Zuckmückenlarven besiedelt sind. Nach der Frühjahrs-Vollzirkulation tritt häufig Algenblüte auf. Das Wasser ist trüb und meist grünlich bis gelbbraun gefärbt. Die Sichttiefe liegt in der Regel unter zwei Metern und die Sauerstoffsättigung am Ende der Sommerstagnation unter 30%.
- Hypertroph (Trophiestufe IV, auch Polytroph):
Hypertroph nennt man Gewässer, bei welchen die Eutrophierung so weit fortgeschritten ist, dass im Gewässer zum Ende der Sommerstagnation der Sauerstoff weitgehend aufgebraucht ist. Nur die obersten Wasserschichten des Epilimnions weisen für spezialisierte Organismen noch tolerierbare Wachstumsbedingungen auf. Nachts und morgens kommt es häufig zu Fischsterben. Die Sichttiefe liegt unter einem Meter. BSB_x: Biologischer Sauerstoffbedarf in x Tagen
CSB: chemischer Sauerstoffbedarf (Bestimmung mit Kaliumdichromat K₂Cr₂O₇)
Da die biologische Zonierung sich in Fließgewässern von stehenden Gewässern unterscheidet, wird anstelle des Trophiensystems eine auf dem Saprobiensystem beruhende Einteilung in Gewässergüteklassen verwendet.

siehe auch

- Ökosystem See, Trophierung, Eutrophierung Kategorie:Ökologie kategorie:Limnologie Kategorie:Ozeanologie

Stillgewässer

Stillgewässer (auch stehende Gewässer) gehören zu den Oberflächengewässern. Oberflächengewässer Oberflächengewässer In der Hydrologie beschäftigt sich die Limnologie mit stehenden Süßwasser-Gewässern. Danach sind sie im Gegensatz zu Fließgewässern geschlossene Ökosysteme. Kriterien zur Unterscheidung von Stillgewässern sind deren Größe und Tiefe, nach denen man unterscheidet:
- Tümpel sind flache temporäre Süßwasseransammlungen mit stark schwankenden Wasserständen
- Weiher sind Flachwasserseen mit geringer Tiefe. Schwimmpflanzen erreichen mit ihren Wurzeln in der Regel den Grund.
- Seen die über eine ausreichende Tiefe verfügen, damit sich eine Temperaturschichtung entwickeln kann.
- Sölle sind eiszeitlich bedingt entstandene Gewässer aus ehemaligem Toteis.
- Lachen sind episodische Gewässer, auch Pfützen. Werden nur durch Regen gespeist, sonst aber trocken.
- Teiche sind dauerhafte Gewässer mit Zu- und Abfluß. Sonderformen sind künstlich angelegte Teiche, Weiher oder Seen, die in der Regel einem besonderen Nutzungszweck wie der Fischzucht, dem Bergbau oder Badezwecken dienen. Auch geflutete Kiesgruben, Lehmgruben und Tagebaurestlöcher zählen dazu. Sie alle weisen aber stark veränderte Ökosysteme auf, insbesondere die Kiesgruben- und Tagebauseen haben aufgrund des mineralischen tertiären Bodens pH-Werte zwischen zwei und sechs, bei denen nur sehr eingeschränkt Leben möglich ist. Auch unterirdische Höhlenseen und heiße Süßwasserseen zählen zu den Sonderformen der Stillgewässer. Die biologische Qualität von Stillgewässern wird anhand des Trophiensystems in Trophiestufen eingeteilt. Das bei Fließgewässern angewandte Saprobiensystem ist aufgrund der unterschiedlichen biologischen Zonierung nicht geeignet. Siehe auch: Söll (Teich), Woog, Pfuhl Kategorie:Gewässer Kategorie:Limnologie Kategorie:Biotop

Limnologie

Die Limnologie ist die Wissenschaft von den Binnengewässern als Ökosysteme, deren Struktur, Stoff- und Energiehaushalt und Leben sie erforscht (Schwoerbel, 1993). Binnengewässer bezeichnen stehende Gewässer, wie Weiher und Seen ohne Verbindung zu den Ozeanen, Fließgewässer und das Grundwasser. Im Gegensatz zum Wortsinn des gängigen englischen Begriffes der "fresh water ecology" beschäftigt sich die Limnologie mit dem Leben in Binnengewässern unabhängig vom Salzgehalt. Daher fällt auch das Tote Meer per Definition in die Zuständigkeit der Limnologie.

Die Stellung der Limnologie im Bereich der Naturwissenschaften

Die Limnologie versteht sich als Teilgebiet zur Ökologie, neben der Ozeanologie die sich mit marinen Ökosystemen, und der Epeirologie, die sich mit terrestrischen Lebensräumen befasst. Die Limnologie ist auch Teilgebiet der Hydrologie und gehört somit zu den Geowissenschaften (Schwoerbel, 1993)(Tab. 1). Tab. 1: Die Limnologie in ihrer Stellung in den Naturwissenschaften nach De Haar (1974) modifiziert.
Die Limnologie lässt sich in zwei Fachrichtungen einteilen: # theoretische Limnologie und # angewandte Limnologie Die Theoretische und die Angewandte Limnologie sind eng miteinander verzahnt, so dass eine eindeutige Trennung beider Richtung nicht immer möglich ist. Allgemein lässt sich die Aufgabe der theoretischen Limnologie als jene beschreiben, welche die Systemeigenschaften der Gewässer erforscht und darstellt. Diese ist wiederum auch die Grundlage jeder angewandten Limnologie. Die theoretische Limnologie wird in Allgemeine und Spezielle Limnologie untergliedert. Die Allgemeine Limnologie beschäftigt sich mit der Gewässer-Ökologie. Es sind dies
- die ökologisch relevante Eigenschaften des Wassers,
- die physiologische Ökologie der Süßwasserorganismen,
- die limnische Populationsökologie,
- die Grundlagen des Stoffhaushaltes und der Produktionsbiologie,
- der Stoffabbau und Stoffkreisläufe der Binnengewässer,
- die Charakterisierung der Belastungszustände und
- die Trophie und Saprobie (Schönborn, 2003). Die Spezielle Limnologie erforscht die limnischen Lebensräume mit Hilfe der Erkenntnisse der Allgemeinen Limnologie. Hierzu gehören:
- Grundwasser
- Quellen
- Fließgewässer
- Stillgewässer Zu den wichtigsten Themen der angewandten Limnologie zählen Abwasserreinigung, Wasseraufbereitung, Gewässerverunreinigung, Gewässerschutz und Gewässerpflege. Weitere Anwendungsbereiche der Limnologie sind die Fischereibiologie und die Regulierung der organischen Produktion in natürlichen und künstlich angelegten Gewässern.

Zur Entstehungsgeschichte

Nach Elster (1974) und Steleanu (1989) reicht die Geschichte der Limnologie etwa 100 Jahre zurück. Obwohl schon im 17. und im 18. Jahrhundert zahlreiche Untersuchungen über Wasserorganismen durchgeführt worden sind, fehlte die Beziehung zum Gewässer vollständig. Aus diesem hydrobiologischen Vorfeld entwickelte sich die Limnologie nur zögerlich. Den entscheidenden Schritt von der Hydrobiologie zur Limnologie tat der Schweizer Mediziner und Wissenschafter François-Alphonse Forel in Lausanne. Forel untersuchte den Genfer See nicht nur biologisch, sondern auch physikalisch und chemisch. Er äußerte auch als erster Gedanken über Seentypen. Sein Arbeitsgebiet nannte er Limnologie. Seine Untersuchungen erschienen als dreibändiges Werk "Le Léman. Monographie limnologique" zwischen 1892-1904. 1901 wurde sein "Handbuch der Seenkunde. Allgemeine Limnologie" herausgegeben. Als einer der Mitbegründer der Limnologie gilt der Amerikaner Stephen Alfred Forbes, welcher 1887 eine Arbeit mit dem Titel "The lake as a microcosm" veröffentlichte. In dieser Arbeit sind schon Stoffkreisläufe und biologische Begründungen beschrieben. Neben den offiziellen Begründern gibt es noch einen unbekannten Vorbegründer: Friedrich Junge, ein Dorfschullehrer aus Kiel veröffentlichte 1885 eine Schrift mit dem Titel "Der Dorfteich als Lebensgemeinschaft". Angeregt durch Forels Arbeiten etablierte sich die Limnologie rasch und führte zur Bildung der ersten limnologischen Stationen. Zu den wichtigsten limnologischen Stationen zählten:
- Station in Plön
- Station am Lake Mendota in Wisconsin
- Station am Lunzer See in Lunz_am_See 1911 publizierten Edward Asahel Birge und Chancey Juday ihre Ergebnisse, die sie an nordamerikanischen Seen gewonnen hatten. Anhand ihrer Untersuchungen zur Sauerstoffverteilung in der Tiefe der Seen konnten sie zwei Seentypen ausmachen: # Seen deren Tiefenwasser stets sauerstoffreich sind # Seen deren Tiefenwasser stets sauerstoffarm sind In Deutschland war es August Thienemann, dem aufgefallen war, dass sich die Seen in den verschiedenen Regionen Deutschlands in der Fischfauna, der Zusammensetzung des Planktons und der Tiefenfauna unterschieden. 1915 fand er ebenfalls wie Birge und Juday heraus, dass die Unterschiede vor allem aus dem ökologisch wirksamsten Faktor Sauerstoffgehalt des Tiefenwassers resultierten. In Schweden untersuchte Einar Naumann 1918 den pflanzlichen Anteil des Planktongehaltes (Phytoplankton) des Oberflächenwassers der Seen. Naumann folgerte aus seinen Beobachtungen, dass planktonreiche Seen viele Pflanzennährstoffe haben müssen, die phytoplanktonarmen dagegen wenige. Demnach gibt es nährstoffarme und nährstoffreiche Seen. Einen nährstoffarmen See bezeichnete er als oligotroph und einen nährstoffreichen See als eutroph. Als weitere Klassiker gelten Franz Ruttner (Station Lunz) und W. Halbfass. Schwerpunkt der Untersuchungen Ruttners waren das Leitvermögen des Wassers der Seen, die Kohlenstoffassimilation der Wasserpflanzen, der Kohlensäurekreislauf sowie die Beschaffenheit tropischer Seen. Sein Hauptwerk "Grundriss der Limnologie" gilt heute noch als Standardwerk. Halbfass beschäftigte sich mit den geographischen, morphologischen und hydrographischen Eigenschaften sowie den chemischen Inhaltsstoffen der Seen (Müller-Navarra, 2005). Halbfass veröffentlichte sein Hauptwerk "Grundzüge der vergleichende Seenkunde" 1923 (Schönborn, 2003). Neben der Seen-Limnologie entwickelte sich eine Fließgewässerforschung, die besonders durch den Schweizer Friedrich Zschokke, Paul Steinmann, Robert Lauterborn und August Thienemann gefördert wurde. Im Fokus standen die Fragen nach der der Existenz eines Flussplanktons, die Suche nach Glazialrelikten in der Flora und Fauna der Gebirgsbäche und die Verschmutzung von Fließgewässern. Fließgewässer wurden seit langem als Vorfluter für Abwässer verwendet. Aufgrund zunehmender Verschmutzung wurde die Fließgewässerforschung intensiviert. 1908 entwickelten Richard Kolkwitz und M. Marsson das Saprobiensystem um abwasserbelastete Fließgewässer zu beurteilen. Zu Beginn der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelte sich aus der Fließgewässerbiologie die Abwasserbiologie. Hans Liebmann revidierte das Saprobiensystem 1951 und 1962.

Zeittafel

- 1519 Schultheiss: Frühste europäische Aufzeichnung über die Beobachtung einer Seiche in Konstanz am Bodensee.
- 1820 Sir John Leslie beschreibt den Zusammenhang zwischen Wind, Wärme und Dichte, welche für die thermische Schichtung in Seen verantwortlich sind.
- 1850 Louis Agassiz untersucht die Physik, die Vegetation und die Fauna am Oberer See.
- 1865 Angelo Secchi erfindet die sogenannte Secchischeibe.
- 1885 Friedrich Junge (Kiel) veröffentlicht eine Schrift mit dem Titel "Der Dorfteich als Lebensgemeinschaft"
- 1887 Stephen Alfred Forbes (Illinois) veröffentlicht einen Artikel mit dem Titel "The lake as a microcosm".
- 1888 Anton Frisch errichtet die erste biologische Süßwasserstation in Böhmen.
- 1901 François-Alphonse Forel publiziert sein Handbuch der Limnologie mit dem Titel "Handbuch der Seenkunde. Allgemeine Limnologie" Der Begriff Limnologie tritt hier zum ersten Mal auf.
- 1904 François-Alphonse Forel: Fertigstellung seines dreibändigem Werks über den Genfer See mit dem Titel "Le Lac Leman: Monographie Limnologique".
- 1903 E.R. Watson: Erste Beobachtungen von internen Seiches am Loch Ness.
- 1908 Richard Kolkwitz & M. Marsson entwickeln das Saprobiensystem.
- 1911 Edward Asahel Birge & Chancey Juday veröffentlichen ihre Ergebnisse, die sie an amerikanischen Seen gewonnen haben.
- 1918 Einar Naumann (Schweden) klassifiziert Seen anhand ihres Planzennährstoffangebotes. Er führt die Begriffe oligotroph und eutroph in die Limnologie ein.
- 1920 August Thienemann (Deutschland) vereint sein System mit dem von Naumann. Geburtsstunde des klassischen Seentypensystems.
- 1922 Internationale Vereinigung für theoretische und angewandte Limnologie (Kiel): Die Fließgewässer werden der Limnologie zugeordnet.
- 1923 W. Halbfass (Jena) publiziert sein Hauptwerk "Grundzüge der vergleichenden Seenkunde"
- 1942 Raymond Laurel Lindeman publiziert "The trophic-dynamic aspect of ecology". Er beschreibt die Rolle des Energieflusses innerhalb eines Ökossystems.
- 1951 Hans Liebmann revidiert das Saprobiensystem.
- 1962 Hans Liebmann: Zweite Revision des Saprobiensystem.
- 1970 Bruce L. Kimmel et al. führen den Stausee in die Limnologie ein.
- 1985 Gene Likens publiziert seine Untersuchungen zu aquatischen Ökosystemen, basierend auf Forschungen am Mirror Lake. Befürworter des Einzugsgebiets-Konzept.

Literatur

- Baumgartner, A. & Liebscher, H.-J.: Lehrbuch der Hydrologie, Band 1: Allgemeine Hydrologie Quantitative Hydrologie. Borntraeger Verlag, Berlin 1990, ISBN 3-443-30001-4
- Besch, W.-K., Hamm, A., Lenhard, B.: Angewandter Umweltschutz. Limnologie für die Praxis. Grundlagen des Gewässerschutzes. 2. Auflage. Ecomed Verlagsgesellschaft, Landsberg 1985, ISBN 3-609-65630-1
- Elster, H. J.: History of Limnology. In: Mitteilung int. Ver. Limnol 20/1974, S.7-30.
- Gunkel, G.: Renaturierung kleiner Fließgewässer. Gustav Fischer Verlag, Stuttgart 1985, ISBN 3-334-61030-6
- Kummert, R. & Stumm, W.: Gewässer als Ökosysteme. Grundlagen des Gewässerschutzes.. Vdf Hochschulverlag AG, ETH Zürich 1985, ISBN 3-7281-1886-9
- Müller-Navarra, S. H.: Ein vergessenes Kapitel aus der Seenforschung - Wilhelm Halbfaß (1856-1938), interne Seiches und der Madüsee (Jezioro Miedwie). Meidenbauer, München, m-press, Forum Wissenschaftsgeschichte 1, 2005. 353 S, ISBN 3-89975-540-5
- Schönborn, W.: Lehrbuch der Limnologie. E. Schweizerbart'sche Verlagsbuchhandlung (Nägele u. Obermiller), Stuttgart 2003, ISBN 3-510-65204-5
- Schwoerbel, J.: Einführung in die Limnologie. Gustav Fischer Verlag, Stuttgart 1993, ISBN 3-827-40804-0
- Schwoerbel, J.: Methoden der Hydrobiologie. Gustav Fischer Verlag, Stuttgart 1994, ISBN 3-800-12610-9
- Steleanu, A.: Geschichte der Limnologie und ihre Grundlagen. Verlag Haag und Herchen, 1989, ISBN 3-892-28339-7
- Wetzel, R.G.: Limnology - 3rd edition. Academic Press, 2001, ISBN 0-127-44760-1

Limnologische Zeitschriften und Periodika

- Angelier, E. (Hrsg): Annales de Limnologie. Masson & Cie: Paris.
- Bossard, P. & Kastanienbaum: Aquatic siences. Birkhäuser-Verlag: Basel.
- Bundesanstalt für Gewässerkunde (Hrsg): Deutsche Gewässerkundliche Mitteilungen. Eigenverlag: Koblenz.
- Bundesforschungsanstalt für Fischerei (Hrsg): Archiv für Fischereiwissenschaft, Hamburg. Gustav Fischer Verlag: Stuttgart.
- Hartob, den C. & Brown, J.M.A (Eds.): Aqutic botany. Elsevier Sience Publ.: Amsterdam.
- Lampert, W. & Kausch, H. (Hrsg): Archiv für Hydrobiologie. Verlag Schweizerbart: Stuttgart.
- Pasternak, K. (Hrsg): Avta Hydrobiolgica. Panstwowe Wydawnictwo Naukowe Verlag: Warszawa-Krakow.
- Poly, J. (Hrsg): Annales d'Hydrogiologie. I.N.R.A.: Versailles.
- Townsend, C.R & Hildrew, A.G.: Freshwater Biology. Blackwell Scientific Publications: Oxford.
- Wajnschtejn, B.A. (Hrsg): Biologija Wnutrennich Wod. Informazionnyj Bjulleten. Isdatelstwo <>: Leningrad.
- Watson, Ed. J.: Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sience.Office of the editor: Ottawa. ! Kategorie:Hydrologie Kategorie:Ökologie Kategorie:Geowissenschaft

Phosphor

Phosphor (von griechisch φως-φορος = lichttragend, vom Leuchten des weißen Phosphors) ist ein chemisches Element mit dem Symbol P und der Ordnungszahl 15. Phosphor ist eines der Grundelemente der organischen Chemie und als Mineralstoff Baustein jedes lebenden Organismus.

Geschichte

Phosphor wurde 1669 von Hennig Brand, einem deutschen Apotheker und Alchemisten, entdeckt, als dieser - auf der Suche nach dem "Stein der Weisen" - Urin destillierte und der Rückstand glühte. Obwohl Phosphor zu dieser Zeit noch keine Verwendung außer als Nachtlampe fand, wurde es mit Gold aufgewogen. Henning Brand wurde durch diese Entdeckung nicht reich und verkaufte das Herstellungsrezept an einen Alchemisten, der hiermit ein Vermögen machte.

Vorkommen

In der Natur kommt Phosphor ausschließlich in gebundener Form, das heißt nicht gediegen, meist in Form der Phosphate in der Erdkruste vor (Gehalt in der Erdkruste: ~ 0,11 %). Typische Mineralien sind etwa die Apatite Ca₅(PO₄)₃(F,Cl,OH). Besonders der Fluorapatit und der mit Calciumcarbonat durchsetzte Phosphorit stellen ökonomisch die wichtigsten Phosphate dar. Darüber hinaus gibt es weitere phosphorhaltige Mineralien, wie beispielsweise den Wavellit Al₃(PO₄)(F,OH) · 5 H₂O, den Vivianit Fe₃(PO₄)₂ · 8 H₂O und den Türkis CuAl₆[(PO₄)(OH₂)]₄ · 4 H₂O. Von den weltweit jährlich geförderten etwa 100 Millionen Tonnen an Rohphosphaten werden etwa 90 % zur Herstellung von Düngemitteln verwendet. Phosphor hat auch in der organischen Welt eine wichtige Bedeutung und kommt in verschiedensten Bereichen der Fauna und Flora vor: Etwa als Hydroxyapatit Ca₅(PO₄)₃OH, welcher einer der Hauptbestandteile der Gerüstsubstanz ist, die in Knochen und Zähnen vorkommt. Weiterhin spielen Phosphate als Bestandteile der Nukleinsäuren und als Energieträger, wie z. B. ATP, eine wichtige Rolle in lebenden Organismen.

Gewinnung und Darstellung

In elektrischen Lichtbogenöfen wird Calciumphosphat in Form der Mineralien Phosphorit oder Apatit bei 1400 °C mit Koks und Quarzsand zu weißem Phosphor umgesetzt. Der im Koks enthaltene Kohlenstoff wirkt dabei als Reduktionsmittel und das Siliciumdioxid des Quarzes dient als Schlackenbildner. Der beim Prozess gasförmig anfallende Phosphor wird kondensiert und unter Wasser gesammelt.

\mathrm

Weißen Phosphor kann man im Labor durch Erhitzung von rotem Phosphor unter Ausschluss von Sauerstoff herstellen.

Eigenschaften

Phosphor kommt in allen Oxydationsstufen zwischen -3 und +5 und den Koordinationszahlen 1-6, meist 3 bis 4, vor. Es ist also ein außerordentlich variables Element.

Gasförmiger Zustand

Siliciumdioxid Im Phosphordampf überwiegen unterhalb von 1200 °C P₄-Tetraeder als kleinste molekulare Einheiten. Der Dissoziationsgrad beträgt bei 800 °C ~ 1 %. Zwischen 1200 und 2000 °C überwiegen P₂-Moleküle mit stickstoffanaloger Valenzelektronenstruktur, oberhalb von 2000 °C dissoziieren diese schließlich zu atomarem Phosphor.

Modifikationen

Dissoziationsgrad Phosphor tritt in vier allotropen Modifikationen auf, als weißer, roter, schwarzer und violetter Phosphor. Jede dieser vier Grundtypen bildet verschiedene Kristallstrukturen und hat damit unterschiedliche Reaktivität und Dichte.

Weißer Phosphor

Weißer Phosphor ist die flüchtigste und reaktivste Modifikation des Phosphors. Er besitzt eine Dichte von 1,82 g/cm³, einen Schmelzpunkt von 44,1 °C, einen Siedepunkt von 280 °C und ist durchscheinend und wachsartig. Verunreinigt wird der weiße Phosphor auch als gelber Phosphor bezeichnet. Der kubische weiße Phosphor ist in Phosphortrichlorid und Kohlenstoffdisulfid CS₂ sehr leicht löslich; 100 g Kohlenstoffdisulfid lösen mehr als 1 kg Phosphor. In Tetrachlorkohlenstoff, Benzol oder Ether ist Phosphor schwach löslich. Bei -77 °C geht die kubische Form (α-Form) in eine hexagonale Form (β-Form) über. In jeder Form (α-, β-, in Lösung) bildet weißer Phosphor P₄-Tetraeder mit einem Bindungswinkel von 60°. In fein verteiltem Zustand entzündet sich weißer Phosphor von selbst, ab etwa 50 °C entzünden sich auch kompakte Stücke und verbrennen an der Luft zu Phosphor(V)-oxid.

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\mathrm

An Luft kann weißer Phosphor ein hellgrünes Leuchten erzeugen. Dieses entsteht durch den im weißen Phosphor vorhandenen hohen Dampfdruck und somit in der Umgebung vorhandenes gasförmiges P₄, das wiederum durch Gasphasenoxidation über P₄O₆ zu P₄O₁₀ entsteht (Chemolumineszenz). Meist in heftiger, exothermer Reaktion verbindet sich Phosphor mit Halogenen, Metallen oder Schwefel. Die hieraus entstehenden Verbindungen sind Phosphorsulfide, Phosphor(III)- oder Phosphor(V)-Verbindungen sowie Phosphide. Unter Einwirkung von starken Laugen bei hoher Temperatur disproportioniert Phosphor zu Phosphin und Hypophosphid. Allgemein wirkt weißer Phosphor stark reduzierend. Weißer Phosphor ist hochgiftig, bereits 50 mg sind tödlich. Der Tod tritt erst nach 5 bis 10 Tagen ein, die Giftwirkung beruht auf einer Störung der Eiweiß- und Kohlenhydratsynthese. Als Füllung für Brandbomben setzten die Engländer im Zweiten Weltkrieg ein Gemisch aus weißen Phosphor und Kautschuk ein. Durch den Kautschuk klebt die zähflüssige Masse und verursacht bei den Opfern auf der Haut schlecht heilende Wunden. Auch heute werden an der Ostsee noch Munitionsreste angespült, da diese nach dem Krieg von den Alliierten in der Ostsee entsorgt wurden. Heutzutage wird Weißes Phosphor in Nebelgranaten verwendet, da sich damit schnell große Nebelwände erzeugen lassen. WP-Granaten wurden von den USA im Irakkrieg in Falludscha eingesetzt um Aufständische aus gut geschützten Stellungen zu treiben um sie dann mit anderen Waffen bekämpfen zu können. Diese Art des Einsatzes ist allerdings umstritten, da durch den Einsatz von Weißem Phosphor in der Stadt viele Zivilisten verbrannten.

Schwarzer Phosphor

Die bei Zimmertemparatur stabilste Modifikation existiert in einer amorphen und drei kristallinen Formen. Schwarzer Phosphor ist aufgrund seiner polymeren Form unlöslich, fast unbrennbar, sehr reaktionsträge und besitzt eine Dichte von 2,69 g/cm³. Das dem schwarzen Phosphor zugrundeliegende Kristallgitter besteht aus gewellten Doppelschichten, in dem die Phosphoratome pyramidal mit drei weiteren in der Nachbarschaft befindlichen Phosphoratomen in einem Bindungswinkel von 100° verbunden sind. In dieser Konfiguration besitzt Phosphor Halbleitereigenschaften. In feuchter Luft oxidiert schwarzer Phosphor etwas schneller als roter Phosphor, überzieht sich dabei aber mit einer farblosen, viskosen Flüssigkeitshaut aus Phosphorsäuren, so dass der weitere Sauerstoffzutritt verhindert und eine Entzündung erschwert wird. Schwarzer Phosphor entsteht unter hohem Druck aus weißem oder rotem Phosphor und unterscheidet sich durch seine Farbe stark von den vorgenannten.

Roter Phosphor

Halbleiter Eine Reihe amorpher und kristalliner Formen mit Dichtevariationen zwischen 2,0 und 2,4 g/cm³ und Schmelzpunkten zwischen 585 °C und 610 °C werden unter der Bezeichnung roter Phosphor zusammengefasst. Gemeinhin ist roter Phosphor amorph, lässt sich aber durch Rekristallisation aus geschmolzenem Blei in den monoklinen Hittorfschen (violetten) Phosphor überführen, welcher eine dreidimensional vernetzte polymere Form bildet. Durch Kochen von weißem Phosphor in Phosphortribromid erhält man den roten Phosphor. Gewonnen wird roter Phosphor durch mehrstündiges Erhitzen von weißem Phosphor auf etwa 360 °C. Die Unterschiede zwischen den kristallinen Anteilen im roten Phosphor bedingen die verschiedenen Formen desselben. Einfluss haben hier die Korngröße, die Art des Gitters, Verunreinigungen und die verschiedenen Absättigungen der Randgruppen mit Halogenen, Sauerstoff und Hydroxylgruppen. In üblichen Lösungsmitteln ist der rote Phosophor unlöslich. Seine Reaktivität liegt zwischen der des weißen und des schwarzen Phosphors. Roter Phosphor ist nicht selbstentzündend, neigt jedoch in Gegenwart starker Oxidationsmittel zu explosiven Reaktionen. Bezogen auf die Reaktivität gleicht der violette Phosphor eher dem schwarzen Phosphor, während sich der Schencksche Phosphor (Rudolf Schenck, 1902) sehr viel reaktionsfreudiger zeigt als "normaler" roter Phosphor. Roter Phosphor ist ungiftig, seine Erstbeschreibung wird dem Österreicher Anton Schrötter von Kristelli zugeschrieben.

Violetter/Hittorfscher Phosphor

Anton Schrötter von Kristelli Violetter Phosphor entsteht beim ein- bis zweiwöchigen Erhitzen von weißem Phosphor auf ca. 550 °C. Entdeckt wurde er von Johann Wilhelm Hittorf. Es handelt sich um ein nichtleitendes Polymer, das unlöslich in CS₂ ist. Die Strukturaufklärung gelang Ende der 1960er Jahre an der Universität Stuttgart durch Herbert Thurn.

"Phosphor-Nanostäbchen"

Im August 2004 ist es deutschen Forschern gelungen, zwei weitere Modifikationen des vielgesichtigen Elements zu isolieren und strukturell zu charakterisieren: Phosphor-Nanostäbchen. Bei diesen beiden Modifikationen liegen die Phosphoratome in Form von Kettenmolekülen (Polymeren) vor. Entdecker der neuen Modifikationen sind Arno Pfitzner von der Universität Regensburg und Hellmut Eckert von der Universität Münster. Die rotbraunen Fasern, die sich deutlich von der roten Phosphormodifikation unterscheiden, sind an der Luft in trockenem Zustand über Wochen stabil. Unter dem Elektronenmikroskop zeigte sich diese rotbraune Phosphor-Form als lange, parallel ausgerichtete Nanostäbe mit Querschnitten von ungefähr 0,34 beziehungsweise 0,47 Nanometern.

Isotope

Phosphor hat nur ein stabiles Isotop: ³¹P, dies ist das einzige in der Natur vorkommende Isotop des Phosphors. Phosphor hat mehrere weitere Isotope, die allerdings alle radioaktiv sind. Das Phosphorisotop ³³P hat mit 25,3 Tagen die längste Halbwertszeit. Das Phosphorisotop ³²P, welches auch radioaktiv ist, wird in Medizin und Forschung als Tracer benutzt, um Stoffwechselprozesse zu beobachten.

Verwendung

Der größte Teil des hergestellten weißen Phosphors (80 %) wird zu Phosphor(V)-oxid verbrannt, welches als Ausgangsmaterial für die Phosphorsäureherstellung sowie für die Darstellung verschiedener Phosphate verwendet wird. Phosphor(V)-oxid hat außerdem noch Bedeutung als eine der wirksamsten wasserentziehenden Substanzen (Trockenmittel). Ein weiterer Teil wird zu Phosphor(III)-chlorid (PCl₃) und Phosphor(V)-sulfid (P₄S₁₀) verarbeitet, die wiederum als Grundstoffe für die Herstellung von Flammschutzmitteln, Additiven, Weichmachern und Pflanzenschutzmitteln dienen. Roter Phosphor findet Verwendung bei der Streichholz-Herstellung. Des Weiteren werden die als Dünger wichtigen Phosphate direkt aus Kalziumphosphat gewonnen, indem dieses mit Schwefelsäure aufgeschlossen wird. Es entsteht das so genannte Superphosphat. Hierzu werden etwa 60 Prozent der weltweiten Schwefelsäureerzeugung benötigt.

Biologische Bedeutung

Phosphorverbindungen sind für die Lebensfunktionen aller Lebewesen essentiell. Anorganische Phosphorverbindungen sind Bestandteil der DNA- und RNA-Moleküle. Die Körperzellen benutzen anorganische Phosphorverbindungen, um Stoffwechselenergie über ATP zu transportieren. Hydroxyapatit (Ca₅(PO₄)₃OH) ist ein Hauptbestandteile der Gerüstsubstanz von Knochen und Zähnen. Der Körper eines Menschen von 70 kg Gewicht enthält etwa 700 Gramm Phosphor, wovon 600 g fest im Knochensystem gebunden sind. Der Tagesbedarf eines erwachsenen Menschen beträgt ca. 0,75 Gramm Phosphor, vor allem in Milchprodukte, Fleisch, Fisch und Brot ist er reichhaltig vorhanden.

Nachweis

Spektroskopisch

Die Methode der Wahl für den Nachweis von Phosphor ist die ³¹P-NMR-Spektroskopie.

Nasschemisch

Die quantitative und qualitative Bestimmung von Phosphor erfolgt über das Phosphat (genauer Orthophosphat PO₄^3-). Gebundener Phosphor wird hierzu gegebenenfalls durch oxidierenden Aufschluss in Phosphat überführt.

Qualitativer Nachweis

Durch Reaktion mit Ammoniummolybdat erhält man in saurer Lösung einen gelben Niederschlag von Ammoniummolybdophosphat:

\mathrm + 12H_2O

In alkalischer Ammoniaklösung fällt Phosphat bei Anwesenheit von Magnesium-Ionen als Magnesiumammoniumohosphat aus:

\mathrm+ OH^-

Der Nachweis ist auch in Form von Zirconiumphosphat durchführbar:

\mathrm + 6HCl + 3H_2O

Historisch ist die Mitscherlich Probe zum Nachweis von weißem Phosphor interessant, die allem voran bei vermuteten Phosphorvergiftungen eingesetzt wurde. Hierbei wird der Mageninhalt mit Wasser erhitzt, wobei der weiße Phosphor, der mit dem Wasserdampf flüchtig ist, anschließend kondensiert und bei Berührung mit Luftsauerstoff durch ein Leuchten (Chemolumineszenz) in Erscheinung tritt. Bei Strukturuntersuchungen von Verbindungen, in denen Phosphor enthalten ist, eignet sich die ³¹P-Kernresonanzspektroskopie.

Quantitativer Nachweis

Gravimetrie

Für eine gravimetrische Bestimmung kann aus Phosphat und Molybdationen in stark salzsaurer Lösung ein gelbes Molybdophosphation gebildet werden:

\mathrm

Mit 8-Hydroxychinolin (kurz HOx oder Oxin genannt) bildet sich ein schwer löslicher Niederschlag von Oxin-12-molybdo-1-phosphat, der anschließend bei 160 °C getrocknet und in wasserfreier Form gewogen wird.

\mathrm

- Fällungsform:

\mathrm

- Wägeform:

\mathrm

(Farbe: dunkelorange) Der grobkristalline Niederschlag enthält nur 1,37 % Phosphor. Somit sind vor allem kleinere Phosphatmengen gut bestimmbar (→ Mikromol-Verfahren).

Volumetrie

Volumetrische Phosphatbestimmungen werden durch Fällung mit La³⁺ oder mit Bi³⁺-Maßlösungen und anschließender Rücktitration mit EDTA durchgeführt.

Verbindungen

Sauerstoffverbindungen

Phosphor bildet verschiedene Oxide, die dem Adamantan ähnliche Strukturen bilden:
- Phosphortrioxid
- Phosphortetraoxid
- Phosphorpentoxid Davon abgeleitet kennt man die folgenden Sauerstoffsäuren sowie die dazugehörigen Salze:
- Phosphinsäure, Phosphinate
- Phosphonsäure, Phosphonate
- Phosphorsäure, Phosphate
- Peroxophosphorsäure Im Vergleich zu den voran genannten Monophosphorsäuren, die ein Phosphor-Atom in ihrem Molekül aufweisen, gibt es Diphosphorsäuren mit zwei Phosphor-Atomen:
- Hydodiphosphonsäure
- Diphosphonsäure
- Hypodiphosphonsäure
- Peroxodiphosphonsäure Bekannte Mineralien, die Phosphor als Bestandteil haben, sind
- Hydroxyapatit
- Fluorapatit

Wasserstoffverbindungen und organische Verbindungen

- Phosphane
- Phosphine
- Phosphaalkine Davon abgeleitet kennt man die folgenden Metallverbindungen:
- Phosphide In der Biochemie:
- ADP, ATP

siehe auch

Phosphorbombe

Literatur

- A. F. Holleman, Egon Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie. de Gruyter, Berlin, 1995, ISBN 3-11-012641-9
- Erwin Riedel, Anorganische Chemie. de Gruyter, Berlin, 2002, ISBN 3-11-017439-1
- John Emsley: Phosphor - ein Element auf Leben und Tod. Wiley-VCH, Weinheim 2001, ISBN 3-527-30421-5

Weblinks

- [http://www.webelements.com/webelements/elements/text/P/index.html WebElements.com - Phosphor] Kategorie:Chemisches Element Kategorie:Nichtmetall Kategorie:Gruppe-15-Element Kategorie:Periode-3-Element Kategorie:Chemiewaffe ja:リン ko:인 th:ฟอสฟอรัส

Sauerstoffsättigung

Die Sauerstoffsättigung (SO₂) gibt an, wieviel Prozent des gesamten Hämoglobins im Blut mit Sauerstoff beladen ist. Sie erlaubt unter anderem Aussagen über die Effektivität des Sauerstofftransportes, also in erster Linie über die Atmung. Die Sauerstoffsättigung kann entweder direkt in einer Blutprobe oder nichtinvasiv mittels Pulsoxymeter bestimmt werden. Das photometrische Verfahren der Oxymetrie liegt beiden Methoden zugrunde.

Einsatzgebiete und Relevanz

Die arterielle Sauerstoffsättigung (S_aO₂) ist ein wichtiger Parameter zur Beurteilung der Atemfunktion. In vielen Fällen lässt sie Rückschlüsse auf die Funktion und Tätigkeit der Lunge zu. Je nach Krankheitsbild und Alter des Patienten kann man unterschiedliche Sättigungswerte tolerieren. So wird man bei Kindern und jungen Erwachsenen einen Wert nahe 100% anstreben, bei älteren Menschen oder bestimmten Krankheiten (z. B. COPD oder Mukoviszidose) können auch Werte um 90% genügen: Die Grenze für tolerierbare Sättigung muss individuell festgelegt werden. Neben der Bestimmung im arteriellen Blut wird die Sauerstoffsättigung auch im venösen Blut verschiedener Stromgebiete untersucht. Aus der Differenz zur arteriellen Sättigung (S_aO₂) lässt sich unter Berücksichtigung der Durchblutung die Sauerstoffaufnahme des Gewebes abschätzen. Setzt man hingegen eine konstante Sauerstoffaufnahme voraus, weist eine Zunahme der Differenz auf eine Abnahme der Durchblutung hin. Je nach Herkunft der Blutprobe lassen sich so Informationen über den Oxygenierungsstatus der vorgeschalteten Organe gewinnen. In der intensivmedizinischen Praxis ist vor allem die gemischtvenöse Sättigung (S_⊽O₂) von Bedeutung, da sie Aussagen über das Herzminutenvolumen liefert. Mit Einschränkungen kann die einfacher zu messende zentralvenöse Sättigung (S_zvO₂) den selben Zweck erfüllen. Für wissenschaftliche Untersuchungen und spezielle Fragestellungen kann nach dem selben Prinzip die lokale Organdurchblutung bestimmt werden (Lebervene, Halsvenen, Sinus Coronarius u.a.).

Pulsoxymetrie

Sinus Coronarius Sinus Coronarius Die Pulsoxymetrie (Pulsoximetrie) ist ein Verfahren zur unblutigen Ermittlung der Sauerstoffsättigung. Die Messung erfolgt mit einem aufsteckbaren Sättigungsaufnehmer (Clip) an einem leicht zugänglichen Körperteil, vorzugsweise an einem Finger, Zeh oder am Ohrläppchen. Die so ermittelte Sauerstoffsättigung wird als S_pO₂ bezeichnet Über den Clip wird neben der Sauerstoffsättigung auch der Puls in den kleinsten Blutgefäßen (Kapillaren) erfasst. :Der Clip hat auf der einen Seite zwei in einem definierten (Infra-)Rot-Bereich (s. u.) leuchtende Lichtquellen, auf der anderen einen Fotosensor. :Durch die unterschiedliche Färbung des mit Sauerstoff gesättigten Hämoglobins entsteht für das durchstrahlende Rotlicht eine unterschiedliche Absorption, die der Fotosensor misst. :Gemessen werden drei Werte, die Absorption des Lichts im 660 nm-Bereich, im 940 nm-Bereich und - zur Tarierung - ohne die Strahlung der Messlichtquellen, nur mit Umgebungslicht. Die unterschiedliche Absorption des Lichtes, die durch den Blutdruck zwischen der Systole und der Diastole stattfindet, ergibt eine Differenz. :Die Messung erfolgt also durch das pulsierende Blut und nicht durch das Gewebe und die Gefäße. :Anhand eines Vergleichs des Messergebnisses mit einer Referenztabelle ermittelt ein Überwachungsmonitor, welcher prozentuale Anteil der roten Blutkörperchen mit Sauerstoff gesättigt ist. Übliche Werte liegen beim Gesunden zwischen 90% und 100%.

Praktische Anwendung der Pulsoxymetrie

Gesund Im Rettungsdienst und auf Intensivstationen sowie in der Anästhesie ist die Pulsoxymetrie Teil des Standardmonitorings des Patienten. Bei Frühgeburten wird zur weiteren häuslichen Überwachung oft ein Überwachungsmonitor eingesetzt der die Atemfrequenz, die Sauerstoffsättigung und den Puls misst.

Messfehler

- Bei lackierten Fingernägeln wird Licht durch den Lack reflektiert und erreicht die Fotozelle nicht.
- Bei Patienten mit verringerter peripherer Kapillardurchblutung (beispielsweise bei Schock und Hypothermie) können falsche Werte angezeigt werden.
- Eine lebensgefährliche Kohlenmonoxid-Intoxikation (Vergiftung) kann über die Pulsoxymetrie nicht erkannt werden: Kohlenmonoxid hat eine etwa 300-fach stärkere Bindungsstärke zum Hämoglobin als Sauerstoff und verdrängt diesen. Das Hämoglobin transportiert dann keinen Sauerstoff, sieht aber - auch für die Fotozellen - gesättigt (hellrot) aus.
- Bei mechanischem Stoß, z. B. bei einer Fahrt über unebenes Gelände, treten Fehler durch Veränderung der Messanordnung auf.

Siehe auch

- Blutgasanalyse
- Zyanose
- Dyspnoe
- Hypoxie
- Intensivmedizin
- Narkose
- Rettungsdienst Kategorie:Anästhesie Kategorie:Diagnostik Kategorie:Intensivmedizin

Phosphat

Die Bezeichnung Phosphate steht für die Salze der Phosphorsäuren. Das Ion PO₄^3- wird auch verkürzt Phosphat genannt. Ebenso werden organische Verbindungen, die Phosphatgruppen tragen, als Phosphate bezeichnet. Meistens sind die Salze der Orthophosphorsäure (H₃PO₄) gemeint. z.B. Natriumphosphat Na₃PO₄, Kaliumphosphat und Calciumphosphat.
Calciumphosphat Durch die teilweise Neutralisation der Phosphorsäure erhält man Hydrogen- oder Dihydrogenphosphate. Diese können sowohl mit Säuren als auch mit Laugen reagieren. Wegen dieser Eigenschaft enthalten viele Pufferlösungen Hydrogenphosphate. Beispiele
NaH₂PO₄ Natriumdihydrogenphosphat
Na₂HPO₄ Natriummonohydrogenphosphat
Na₃PO₄ Natriumphosphat
Weitere Phosphate sind die Poly- und die Pyrophosphate.

Gewinnung

Phosphate werden aus Erzen gewonnen (z. B. Apatit, Ca₅ (PO₄)₃F). Die Hauptvorkommen liegen im nördlichen Afrika (Marokko, Westsahara). Früher fanden sich die Phosphatvorkommen mit der höchsten Konzentration (Naurit, welches aus Guano entstand) auf der Pazifikinsel Nauru. Diese Vorkommen sind jedoch seit 2000 praktisch erschöpft.

Verwendung

Die Hauptmenge der Phosphate kommt als Dünger zum Einsatz. Durch Erosion von landwirtschaftlichen Flächen gelangen sie an Tonminerale gebunden in Flüsse und Seen und können dort zur Eutrophierung beitragen. Weitere Verwendungszwecke sind Wasserenthärter, Waschmittel und Ausgangsstoff für weitere Phosphorverbindungen. Phosphate spielen auch bei der Lebensmittelherstellung (vor allem in der Fleischindustrie) eine sehr große Rolle.

Eigenschaften

Die meisten Phosphate, mit Ausnahme der von Natrium, Kalium und Ammonium, sind schlecht wasserlöslich. Phosphate gehen jedoch bevorzugt Verbindungen mit Schwermetallen ein. Dieses ist bei der Verwendung als Düngemittel problematisch, da die Phosphate im Klärschlamm an die Schwermetalle gebunden sind und für die Pflanzen nicht zur Verfügung stehen. Andererseits kann zum Beispiel Uran aus Phospaten gewonnen werden.

Bedeutung in der Biochemie

Phosphate bzw. Phosphatreste spielen eine wichtige Rolle in der Biochemie. Sie sind beteiligt am Aufbau biologisch höchst bedeutsamer Moleküle, etwa der Desoxyribonukleinsäure und des Adenosintriphosphats (ATP). Phosphatreste sorgen dafür, dass viele biologisch wichtige Moleküle energetisch "aufgeladen" werden. Hier treten auch Tri- und Diphosphate auf. Wichtig in der Biochemie ist auch das Phosphat als molekularer Schalter an Proteinen. Sie steuern einen großen Teil der Proteinregulation. Übertragen werden sie hier von der großen Klasse der Proteinkinasen, wieder abgespalten von Proteinphosphatasen. Im Körper von Menschen und Tieren ist Phosphat ist ebenfalls von grosser Bedeutung für die Mineralisation der Knochen.

Lebensmittelzusatzstoff

Natriumphosphat (E 339), Kaliumphosphat (E 340), Kalziumphosphat (E 341) und die Salze der ortho-Phosphorsäure Diphosphat (E 450), Triphosphat (E 451) und Polyphosphat (E 452) sind als Lebensmittelzusatzstoffe zugelassen und werden als Konservierungsmittel, Säuerungsmittel, als Säureregulator und Emulgator eingesetzt. Phosphat wird für nichtalkoholische, aromatisierte Getränke (Colagetränke; in diesen auch als Phosphorsäure (E338)), sterilisierte und ultrahocherhitze Milch, eingedickte Milch, Milch- und Magermilchpulver und als technischer Hilfsstoff (verhindert das Zusammenklumpen von rieselfähigen Lebensmitteln) verwendet.

Bedeutung für die Ernährung

In der menschlichen Ernährung kommt Phosphor eine wesentliche Rolle im Energiestoffewechsel (siehe Abschnitt Biochemie) und im Knochenaufbau zu. Es verbindet sich mit Calcium zum festen Calciumapatit. Die im Zusammenhang mit Calcium oft angesprochene Bedeutung des Phosphors bezieht sich auf die indirekte Regulation des Knochenstoffwechsels. Phosphor steigert das Parathormon und erhöht somit die Ausschleusung von Calcium aus Knochen und Körper, senkt gleichzeitig auch die Calciumaufnahme. Die Bedeutung von Phosphor für das Auftreten von Hyperaktivität bei Kindern gilt als widerlegt. Kategorie:Stoffgruppe

Eisen

Eisen ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit Symbol Fe (lat. ferrum, Eisen) und Ordnungszahl 26. Es ist ein Metall der 4. Periode in der 8. Gruppe im Periodensystem. Der Name Eisen ist entweder auf das urkeltische Wort isorai oder auf das indogermanische Wort eison (glänzend) zurückzuführen.

Eigenschaften

Metall Das durchschnittliche Eisen-Atom hat etwa die 56-fache Masse eines Wasserstoff-Atoms. Der Atomkern des Eisenisotops ⁵⁶Fe weist einen der größten Massendefekte und damit eine der höchsten Bindungsenergien pro Nukleon aller Atomkerne auf. Bei Raumtemperatur ist die allotrope Modifikation des reinen Eisens das Ferrit oder α-Eisen. Diese Modifikation weist ein kubisch raumzentriertes Kristallgitter auf, das unterhalb 911 °C vorliegt. Unterhalb des Curiepunkts bei 760 °C ist das Ferrit ferromagnetisch. Die Modifikation zwischen 760 °C und 911 °C heißt β-Eisen. Da sie sich außer in den magnetischen Eigenschaften nicht vom Ferrit α-Eisen unterscheidet, wird sie gewöhnlich auch als α-Eisen bezeichnet. Bis 1392 °C liegt es in der kubisch flächenzentrierten γ-Modifikation oder Austenit vor. Bei weiter steigender Temperatur wandelt das Eisen in δ-Ferrit um, das wieder ein kubisch raumzentriertes Gitter aufweist. Der Schmelzpunkt liegt bei 1539 °C. Diese Eigenschaft der Umwandlung des Gitters von kubisch-raumzentriert (bis 911 °C) über kubisch-flächenzentriert (bis 1392 °C) zu kubisch-raumzentriert (bis 1539 °C) sowie des anschließenden Zerfalls der Gitterstrukturen nennt man auch die „Polymorphie des Eisens“. Eisen ist beständig an trockener Luft, in trockenem Chlor sowie in konzentrierter Schwefelsäure, konzentrierter Salpetersäure und basischen Agenzien (außer heißer Natronlauge) mit einem pH-Wert größer als 9.

Eisen als Mineral

Sehr selten kann Eisen auch gediegen auftreten. Das Mineral kristallisiert dann im kubischen Kristallsystem, hat eine Härte von 4,5 und eine stahlgraue bis schwarze Farbe. Auch die Strichfarbe ist grau. Wegen der Reaktion mit Wasser und Sauerstoff ist gediegenes Eisen nicht stabil. Es tritt daher in Legierung mit Nickel nur in Eisenmeteoriten auf, sowie in Basalten, in denen es manchmal zu einer Reduktion von eisenhaltigen Mineralen kommt. Letztere findet man dagegen vergleichsweise häufig, wichtige Beispiele sind Magneteisenstein (Fe₃O₄), Roteisenstein (Fe₂O₃), Brauneisenstein (Fe₂O₃·n H₂O), Siderit (FeCO₃), Magnetkies (FeS) und Pyrit (FeS₂).

Isotope

Eisen hat vier natürlich vorkommende, stabile Isotope, mit den relativen Häufigkeiten: ⁵⁴Fe (5,8 %), ⁵⁶Fe (91,7 %), ⁵⁷Fe (2,2 %) und ⁵⁸Fe (0,3 %). Das Isotop ⁶⁰Fe hat eine Halbwertszeit von 1,5 Millionen Jahren. Die Existenz von ⁶⁰Fe zu Beginn der Entstehung des Planetensystems konnte durch den Nachweis einer Korrelation zwischen den Häufigkeiten von ⁶⁰Ni, dem Zerfallsprodukt von ⁶⁰Fe, und den Häufigkeiten der stabilen Fe-Isotope in einigen Phasen mancher Meteoriten (beispielsweise in den Meteoriten Semarkona und Chervony Kut) nachgewiesen werden. Möglicherweise spielte die freigesetzte Energie beim radioaktiven Zerfall von ⁶⁰Fe, neben der atomaren Zerfallsenergie des ebenfalls vorhandenen radioaktiven ²⁶Al, eine Rolle beim Aufschmelzen und der Differenzierung der Asteroiden direkt nach ihrer Bildung vor etwa 4,6 Milliarden Jahren. Heute ist alles damals ursprünglich vorhanden gewesene ⁶⁰Fe vollständig in ⁶⁰Ni zerfallen. Die Verteilung von Nickel- und Eisenisotopen in Meteoriten erlaubt es, die Isotopen- und Elementehäufigkeit bei der Bildung des Sonnensystems zu messen und die vor und während der Bildung des Sonnensystems vorherrschenden Bedingungen zu erschließen. Nur das Eisenisotop ⁵⁷Fe besitzt einen Kernspin und findet darum Anwendung in der Chemie und Biochemie.

Verbindungen

Oxidationsstufen

- Fe²⁺, diese Salze sind zumeist blassgrün,
- Fe³⁺, diese Salze sind zumeist intensiv orange. Ihre Farbigkeit in wässriger Lösung ist durch die Bildung von Aqua-Komplexen (Komplexchemie) zu erklären [Fe(H₂O)₆]³⁺, die je nach pH-Wert Wasser-Liganden gegen OH^--Liganden austauschen. Durch die Wasserliganden erhält man eine Ligandenfeldaufspaltung, mit den Hydroxidionen einen Chargetransfer (Charge-Transfer-Komplexe).
- Fe⁴⁺, kommt in den Katalysezyklen einiger Enzyme vor (zum Beispiel als Cytochrom P450, Peroxidasen),
- Fe⁶⁺, ist selten (beispielsweise K₂FeO₄).

Oxide

Eisen bildet zweiwertige und dreiwertige Oxide. Eisen(III)oxid Eisen(III)oxid (Fe₂O₃) ist eine braune Substanz und das Endprodukt des Verrostens. Es entsteht durch langsame Oxidation von Eisen in Gegenwart von Wasser. Eisen(II)oxid Eisen(II)oxid (FeO) entsteht beim direkten Verbrennen von Eisen, z. B. mit dem Schneidbrenner. Es ist schwarz und bei Umgebungstemperatur nicht stabil. Eisen(II,III)oxid Eisen(II,III)oxid (Fe₃O₄) entsteht durch Umwandlung von FeO . Da diese Oxide keine feste Schutzschicht bilden, oxidiert ein der Atmosphäre ausgesetzter Eisenkörper vollständig. Wenn er vor dem endgültigen Verrosten eingesammelt und dem Recycling zugeführt wird, ist das verrostete Eisen (Stahl) bei der Stahlproduktion im Elektro-Schmelzofen ein begehrter und wertvoller Sauerstoffträger, ohne den die Stahlindustrie nicht auskommen könnte. Dieser Sauerstoff im Eisenschrott wirkt beim „Stahlkochen“ als Oxidationsmittel, um ungewünschte qualitätsmindernde Beimengungen (z. B. Leichtmetalle) zu oxydieren (verbrennen). Einzelne Eisenverbindungen:
- Fe₃C, Eisencarbid,
- Fe(CO)₅, Eisencarbonyl, Eisenpentacarbonyl, IPC (I für iron), entsteht unter Druck aus Eisen und Kohlenmonoxid und bildet nach seiner Zersetzung neben Kohlenmonoxid ein besonders reines Eisenpulver, das Carbonyleisen. Eine weitere Variante von Eisencarbonyl ist Fe₂(CO)₉.
- Fe(SCN)₃, Eisen(III)-thiocyanat, Eisenrhodanid, hat eine sehr ergiebige blutrote Färbung, dient zum Nachweis von Fe³⁺-Ionen.

Geschichte

Naher Osten

Der älteste menschliche Gebrauch von Eisen stammt aus Sumer und Ägypten, etwa 4000 v. Chr. Es handelte sich um gediegenes Eisen von Meteoriten, und wurde zur Dekoration oder als Speerspitze benutzt. Es wurde nicht durch Schmelzen oder Schmieden, sondern durch Methoden der Steinbearbeitung (Steinzeit) bearbeitet. Zwischen 3000 und 2000 v. Chr. findet man verhüttetes Eisen (vom Meteoriteisen durch die Abwesenheit von Nickel unterscheidbar) in Mesopotamien, Anatolien und Ägypten. Es scheint nur zeremoniell genutzt worden zu sein und war wertvoller als Gold. Möglicherweise entstand es in Form von Schwammeisen als Nebenprodukt der Bronzeherstellung. Zwischen 1600 und 1200 v. Chr. wurde Eisen verstärkt genutzt; es löste Bronze allerdings noch nicht ab. Ab 1200 v. Chr. fand im Nahen Osten der Übergang von der Bronzezeit zur Eisenzeit statt. Es wird vermutet, dass nicht die Materialüberlegenheit des Eisens, sondern ein Mangel an Zinn (zur Bronzeherstellung notwendig) den Übergang auslöste. Beim ersten eisenzeitlichen Verhüttungsschritt entstand Schwammeisen. Durch den Gebrauch von Holzkohle bei der Weiterverarbeitung wurde dem Eisen Kohlenstoff zugeführt, mit dem Endresultat eines (zumindest oberflächlichen) Stahls. Durch Härten (das heißt abruptes Abkühlen, im Allgemeinen in einer Flüssigkeit wie Wasser oder Öl) entstanden Werkstücke mit einer bis dahin nicht gekannten Elastizität und Härte, die der Bronze weit überlegen war.

China

Auch in China wurden die ersten Erfahrungen mit Eisen an Meteoriteneisen gewonnen. Erste archäologische Spuren von Schmiedeeisen finden sich im Nordwesten, nahe Xinjiang, aus dem 8. vorchristlichen Jahrhundert. Man vermutet, dass diese Produkte, die mit den Methoden des Nahen Ostens erstellt wurden, durch Handel nach China gelangt sind. Etwa 550 v. Chr., in der späteren Zhou-Dynastie (1122 bis 256 v. Chr.), fand mit der Entwicklung des Hochofens ein entscheidender technischer Durchbruch statt: die Produktion von Gusseisen wurde möglich.

Europa

Neben seiner herausragenden Bedeutung als Werkstoff wurde Eisen in der Alchemie verwendet, wo es mit dem Zeichen für Mars/Männlichkeit ♂ assoziiert wurde. Da europäische Verarbeitungstechniken nur Temperaturen von knapp 1.300 °C erreichten, fand die Entwicklung von Gusseisen erst im 15. Jahrhundert in Schweden (Lapphyttan und Vinarhyttan) statt. Mit der gegossenen Kanonenkugel verbreitete sich die Gusseisenverarbeitung schnell wie die Feldzüge über ganz Europa. Als die schwindenden Wälder den wachsenden Holzkohlebedarf zur Eisengewinnung in Großbritannien nicht mehr decken konnten, wurde Kohle (genauer das Kohleprodukt Koks) von Abraham Darby als Alternative entwickelt. Diese Umstellung, zusammen mit der Erfindung der Dampfmaschine, gilt als Beginn der industriellen Revolution.

Vorkommen

Eisen ist zusammen mit Nickel vermutlich der Hauptbestandteil des Erdkerns. Angetrieben von thermischen Kräften, erzeugen Konvektionsströmungen von flüssigem Eisen im äußeren Kern das Erdmagnetfeld. Mit einem Anteil von fünf Prozent ist Eisen aber auch eines der häufigsten Elemente der Erdkruste. Die ersten Vorkommen, die abgebaut wurden, waren Raseneisenerz und offenliegende Erze. Heute wird vor allem 40-prozentiges Magneteisenerz abgebaut. Das wichtigste Mineral zur Eisengewinnung ist Hämatit, welches größtenteils aus Fe₂O₃ besteht. Eisen ist das zehnthäufigste Element im Universum. Die Fusion von Elementen in Sternen endet beim Eisen, da bei der Fusion von höheren Elementen keine Energie mehr frei wird, sondern Energie verbraucht wird. Schwerere Elemente entstehen bei Supernovaexplosionen, die auch für das Verstreuen der im Stern entstandenen Materie verantwortlich sind.

Gewinnung und Darstellung

Eisenerz wird im Tagebau und Tiefbau (Untertagebau) gewonnen. Dort, wo die als abbauwürdig erkannten Eisenerzlagerstätten offen zutage treten, kann das Erz im weniger aufwändigen Tagebau gewonnen werden. Heute wird Eisenerz hauptsächlich in Südamerika, bes. Brasilien, im Westen Australiens, in der Volksrepublik China, in Ost-Europa (beispielsweise Ukraine)(Krivoi Rog, ist der Name des Erzes) und Kanada auf diese Weise abgebaut. Diese Länder verdrängten in den letzten Jahren die ursprünglich bedeutendsten Eisenerz-Förderländer wie Frankreich, Schweden oder auch Deutschland selbst, dessen letzte Eisenerzgrube in der Oberpfalz 1987 geschlossen wurde. Deutschland Allerdings stellt der relativ leichte Abbau auch ein großes Problem dar: Der Export von Rohstoffen ist nach wie vor die Haupteinnahmequelle vieler ärmerer Staaten. Entsprechend hemmungslos stürzen sich viele der hochverschuldeten Entwicklungsländer auf diese Ressourcen, meist auf Kosten von Mensch und Umwelt. Riesige Erz-Abbaugebiete wie die Ok Tedi-Mine in Papua-Neuguinea zerstören nicht nur den Regenwald auf ihrem eigentlichen Gebiet, sondern in weitem Umkreis die ganze Landschaft. Denn hochgiftige Abwässer und Schlämme kippen die Minenbetreiber einfach in die Gegend, von wo sich das Gift durch die Flüsse verteilt – so dass stromabwärts am Ok Tedi der für die Bevölkerung traditionelle Fischverzehr zur Gesundheitsgefahr wurde. Nur selten gelangt das Eisenerz vom Bergwerk kommend, unmittelbar zu den Lagerplätzen der Hütten. Meist müssen erst weite Transportwege auf dem Landweg und auf dem Seeweg, mit mehrfachem Umladen, zurückgelegt werden. Vor der weiteren Verarbeitung wird das Erz schließlich zerkleinert und gemahlen. Danach werden die Erzkörner nach ihrer Größe sortiert und gesintert. Das heißt, es werden kleine Erzkörner gemeinsam mit Kalkzuschlagsstoffen auf mit Gas unterfeuerten motorisch angetriebenen Wanderrosten (Rost-Förderband) aufgelegt und durch starke Erhitzung „zusammengebacken“, denn nur in dieser Form als gesinterte grobe Brocken ist der Einsatz im Hochofen möglich, da das feine Erz die Luftzufuhr (Wind) sehr beeinträchtigen, bzw. verhindern würde.

Hochofenprozess

Das Eisen wird durch chemische Reduktion mit Kohlenstoff im Hochofen gewonnen; dabei treten Temperaturen von etwa 2.000 °C auf. Zuerst wird Koks dem Hochofen zugegeben, wo es mit dem in der Einblasluft (Wind) vorhandenen Sauerstoff zu Kohlenmonoxid reagiert: Das Kohlenmonoxid reagiert mit dem Eisenoxid: Aufgrund der hohen Reaktionstemperatur und der Schmelzpunktsenkung durch die Aufnahme von Kohlenstoff ist das entstehende Eisen flüssig. Allerdings enthält es noch Verunreinigungen in Form von Siliziumdioxid. Durch Zugabe von Kalkstein wird das Siliziumdioxid als Schlacke abgesondert. Ein erster Reaktionsschritt wandelt den Kalk in Kalziummonoxid um: Daraufhin reagiert das Kalziummonoxid mit dem Siliziumdioxid. Die entstehende Schlacke wird heute im Tiefbau, früher auch als Dünger (Thomasmehl), eingesetzt. Weltweit wurden im Jahre 2000 etwa 1.000 Megatonnen Eisenerz abgebaut, mit einem Wert von etwa 25 Mrd. Euro. Die bedeutendsten Eisenerzlieferanten sind die Volksrepublik China, Brasilien, Australien, Russland und Indien. Zusammen liefern sie etwa 70 % des Weltbedarfs. Aus den 1.000 Mt Erz wurden etwa 572 Mt Eisen gewonnen. Zusätzlich wird aus Schrott noch neues Eisen gewonnen.

Verwendung

Indien Technisch ist Eisen für die Herstellung von Stahl sehr bedeutsam. Stähle sind Legierungen des Eisens, die beim Vermischen (legieren) mit anderen Metallen und auch Nichtmetallen (insbesondere Kohlenstoff) entstehen. Eisen ist mit 95 Prozent Gewichtsanteil an genutzten Metallen, das weltweit meistverwendete. Der Grund dafür liegt in seiner weiten Verfügbarkeit, welches es recht preiswert macht, sowie in der erreichten hervorragenden Festigkeit und Zähigkeit beim Eingehen von Legierungen mit anderen Metallen (z. B. Chrom, Molybdän, Nickel usw., die es für viele Bereiche in der Technik zu einem Spezialwerkstoff macht. Bei der Herstellung von Autos, Schiffen und im Hochhausbau (Stahlbeton) eingesetzt, neuerdings für Karosserieteile in besonders innovativer verschweißter Kombination mit Alublech, entwickelt in Deutschland im Jahr 1996, um Energie beim Betrieb von Autos durch Gewichtsverringerung einzusparen und zugleich den Fahrzeugschwerpunkt tiefer zu legen. Damit wird der bisher klassische Werkstoff für Autos zunehmend unter „Gewichtsdruck“ geraten und vielleicht zukünftig nur mehr in Kombination mit spezifisch leichteren Metallen konkurrenzfähig sein. Eisen ist eines jener drei ferromagnetischen Metalle (Kobalt und Nickel sind die übrigen), die mit ihrer Eigenschaft den großtechnischen Einsatz des Elektromagnetismus in Generatoren, Transformatoren und Elektromotoren ermöglichen. Reines Eisenpulver wird nur in der Chemie verwendet. Industriell sind verschiedene Stähle verbreitet, in Deutschland ca. 7.500 Sorten genormt. Eisen wird in den nachfolgend angeführten Formen genutzt:
- Roheisen enthält vier bis fünf Prozent Kohlenstoff, sowie unterschiedliche Anteile an Schwefel, Phosphor und Silizium. Es ist ein Zwischenprodukt in der Herstellung von Gusseisen und Stahl.
- Gusseisen enthält 2,06–6,67 % Kohlenstoff und weitere Legierungselemente, wie beispielsweise Silizium und Mangan. In Abhängigkeit von der Abkühlgeschwindigkeit liegt der Kohlenstoff im Gusseisen als Karbid oder elementar als Graphit vor. In Anlehnung an das Aussehen der Bruchflächen spricht man im ersteren Fall von weißem und im zweiten Fall von grauem Gusseisen. Gusseisen ist sehr hart und spröde. Es lässt sich gewöhnlich nicht plastisch verformen.
- Stahl enthält zwischen 0,06 % und 2,06 % Kohlenstoff. Im Gegensatz zu Gusseisen ist er plastisch umformbar. Durch Legieren, sowie durch eine geeignete Kombination von thermischer Behandlung und plastischer Formung können die mechanischen Eigenschaften des Stahls in weiten Grenzen variiert werden.
- Bei Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt bis 0,8 % spricht man von Baustahl, bei über 0,8 % von Werkzeugstahl. In der Medizin werden eisenhaltige Präparate als Antianämika eingesetzt, kausal in der Behandlung von Eisenmangelanämien und additiv in der Behandlung von Anämien, hervorgerufen von anderen Ursachen.

Biologische Bedeutung

Eisen ist ein essentielles Spurenelement für fast alle Lebewesen, vor allem für die Blutbildung. Als Zentralatom im Hämoglobin und Myoglobin ist es bei vielen Tieren und beim Menschen für Sauerstofftransport und -speicherung verantwortlich. In diesen Proteinen ist es von einem planaren Porphyrinring umgeben. Weiter ist Eisen Bestandteil von Eisen-Schwefel-Komplexen (Iron-Sulphur-Cluster) in vielen Enzymen, beispielsweise Nitrogenasen und Hydrogenasen. Als dritte wichtige Klasse der Eisenenzyme sind die so genannten Nicht-Häm-Eisenenzyme zu nennen, beispielsweise die Methan-Monooxygenase, Ribonukleotid-Reduktase und das Hämerythrin. Diese Proteine nehmen in verschiedenen Organismen Aufgaben der Sauerstoffaktivierung, Sauerstofftransport, Redoxreaktionen und Hydrolysen wahr. Ebenso wichtig ist dreiwertiges Eisen als Zentralion im Enzym Katalase, das in den Peroxisomen der Zellen das im Stoffwechsel entstehende Zellgift Wasserstoffperoxid abbaut. Infizierende Bakterien nutzen oft Eisen, so dass ein Abwehrmechanismus des Körpers das „Verbergen“ von Eisen ist. Vor allem Frauen leiden häufig an Eisenmangel, der Grund dafür liegt auf der Hand. An jedem Tag der Menstruation verliert der Körper ca. 15 Milligramm, bei der Geburt eines Kindes ca. 1000 Milligramm Eisen. Der Tagesbedarf eines erwachsenen Menschen beträgt etwa 20 Milligramm Eisen, durch die gleichzeitige Einnahme von Vitamin C wird die Resorptionsquote deutlich erhöht. Besonders reichhaltig ist Eisen in Fleisch, Leber, Hülsenfrüchte und Vollkornbrot enthalten.

Sicherheitshinweise

Obwohl Eisen ein wichtiges Spurenelement für den Menschen ist, kann zu viel Eisen im Körper giftig sein. Zu große Mengen an Fe²⁺-Ionen reagieren mit Peroxiden, wobei freie Radikale entstehen. Im Normalzustand werden letztere durch körpereigene Prozesse kontrolliert. Etwa ein Gramm Eisen verursacht bei einem zweijährigen Kind ernste Vergiftungserscheinungen, drei Gramm können bereits tödlich sein. Lang andauernde Überversorgung mit Eisen führt zur Hämochromatose, einer Eisenspeicherkrankheit. Das Eisen reichert sich in der Leber an und führt dort zu Siderose (Ablagerung von Eisensalzen) und Organschäden. Daher sind Eisenpräparate nur bei Eisenmangel zu empfehlen. Allerdings nimmt der Körper bei Eisenüberversorgung dieses nicht mehr aus der Nahrung auf.

Nachweis

Die Fe²⁺- beziehungsweise Fe³⁺-Ionen können als lösliches, beziehungsweise unlösliches Berliner- /Turnbulls Blau mit Hilfe von Kaliumhexacyanoferrat-(II/III) (bei 2+ III benutzen und bei 3+ II benutzen) nachgewiesen werden. Es ist bemerkenswert, dass dieses bekannte Eisennachweisreagenz selbst Eisen enthält, welches durch die Cyanidionen chemisch gut maskiert wird (Innerorbitalkomplex) und somit Grenzen der Analytik aufzeigt. Fe³⁺ kann auch noch mit der sehr empfindlichen Thiocyanat-Reaktion nachgewiesen werden. Es bildet sich das tiefrote Fe(SCN)₃, welches in Lösung bleibt. Allerdings stören einige Begleitionen diesen Nachweis (z. B. Co²⁺, Mo³⁺, Hg²⁺, Überschuss an Mineralsäuren).

Siehe auch

- Liste der größten Roheisenerzeuger
- Eisen-Stoffwechsel – Bedeutung des Eisens im Organismus eines Lebewesens
- Elektrowerk – Herstellung von seltenen Legierungen wie Ferro-Chrom und Ferro-Molybdän
- Rost (Korrosion)
- Atomium – Das Wahrzeichen Brüssels, das einen Ausschnitt aus einem Eisen-Kristallgitter darstellt.
- Gusseisen

Weblinks

- [http://www.die-roemer-online.de/eisenherstellung/eisenherstellung.html die-roemer-online.de] Eisenherstellung in der Römerzeit
- [http://www.landschaftsmuseum.de/Seiten/Lexikon/Eisengewinnung.htm Eisengewinnung in vorgeschichtlicher Zeit] Landschaftsmuseum Obermain Kategorie:Gruppe-8-Element Kategorie:Periode-4-Element Kategorie:Übergangsmetall Kategorie:Mineral Kategorie:Schwermetall Kategorie:Nahrungsergänzung ja:鉄 ko:철 ms:Besi simple:Iron th:เหล็ก

Phosphatfalle

Als Phosphatfalle bezeichnet man in der Limnologie die unter aeroben Bedingungen stattfindende fortwährende Schichtung von Phosphat in Form von FePO₄ (Eisenphosphat) in das Sediment eines Sees. Unter aeroben Bedingungen kann die Verbindung von Phosphat mit Fe(OH)₃ zu Eisenphosphat (FePO₄) erfolgen, dies sinkt zu Boden und bilden dort eine sogenannte Grenzlamelle. Mit der Zeit wird somit immer mehr Phosphat am Grund des Sees gespeichert, was für die in aller Regel mit Phosphat übersättigten Seen eine große Hilfe ist. Erst wenn am Grund kein Sauerstoff mehr vorhanden ist, wird das Phosphat durch den exakt entgegengesetzten Vorgang freigesetzt und das "gefangene" Phosphat wieder in den Mineralstoffkreislauf des Sees eingegliedert; dies kann beispielsweise zu einer Algenblüte bzw. Hypertrophierung führen, wenn das freigesetzte Phosphat im Zuge der Herbst- bzw. Frühlingszirkulation wieder in das Epilimnion (Oberflächenwasser) gelangt. Kategorie:Limnologie

Plankton

Plankton (von griechisch πλανκτον - das Umherirrende) ist die Bezeichnung für die frei im Wasser treibenden und schwebenden Organismen. Frei umherschwimmende Organismen, die ihre Schwimmrichtung grundsätzlich auch gegen Strömungen ausrichten können werden als Nekton bezeichnet. Der Begriff wurde 1887 von dem Kieler Meereskundler Victor Hensen eingeführt, der 1889 die erste wissenschaftliche Expedition leitete, die sich nur mit Plankton beschäftigte. Die systematische Planktonforschung begründete der berühmte Meeresbiologe Johannes Peter Müller (1801-1858) im Jahre 1846. Die im Meer treibende Lebensgemeinschaft nannte Müller auf Empfehlung Jacob Grimms den "Auftrieb". Müllers Arbeiten auf Helgoland setzten Maßstäbe in der internationalen Planktonforschung, die noch heute eine bedeutende Forschungssäule der 1892 begründeten Biologischen Anstalt Helgoland ist.

Lebensräume

Plankton ist in Gewässern fast allgegenwärtig. Dennoch werden aufgrund des geringen Vorkommens von Nährstoffen die meisten Meeresgebiete als ökologische Wüsten betrachtet. Kommt es in stehenden Binnengewässern und Fließgewässern zu Nährstoffüberschuss kann das stark anwachsende Phytoplankton zum sogenannten "Umkippen" führen. Süßwasserplankton wird als Limnoplankton, Meerwasserplankton als Haliplankton bezeichnet.

Größenunterschiede

Plankton gibt es in allen möglichen Formen und Größen. Besonders kleine Organismen (4-40 µm) werden dem Nanoplankton (auch Nannoplankton) zugerechnet. Die kleinsten Formen sind Bakterien, von denen bis zu zwei Millionen in einem Teelöffel Wasser Platz haben. Aber auch große Phytoplanktonvertreter sind meist kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Auch beim Zooplankton gibt es winzige Formen, aber auch bis zu 9 Meter große Quallen, die nicht gegen Strömungen anschwimmen, sondern passiv driften, zählen zum Plankton. Die mittelgroßen Arten werden als Mesoplankton, die großen - nicht zum Nekton gehörigen - Arten als Makroplankton und Riesenformen, wie die schon erwähnten Quallenarten, als Megaplankton oder Megaloplankton bezeichnet. Man unterscheidet:
- Bakterioplankton (bakterielles Plankton): Kokken, Stäbchen, Vibrionen
- Phytoplankton (pflanzliches Plankton): Kieselalgen (Bacillariophyta), Dinoflagellaten (Dinoflagellata), Kammerlinge (Foraminifera) etc.
- Zooplankton (tierisches Plankton): Copepoden, Krill, Pfeilwürmer, Fischlarven, Polychaetenlarven und einige ausgewachsene (adulte) Polychaeten (Borstenwürmer), Krebslarven, Echinodermatenlarven (Seesterne u.a.), Manteltiere (Tunicaten) sowie ihre Larven, etc.

Zooplankton

Die größte tierische Biomasse einer Art bzw. Gattung wird nach bisherigen Kenntnissen durch den Copepoden Calanus spec (z.B. Calanus finmarchicus) dargestellt. Ohne das Plankton der arktischen Gewässer fehlte den riesigen Plankton filtrierenden Bartenwalen wie z.B. dem Blauwal oder dem Finnwal die Nahrungsgrundlage. Auch große Fischschwärme ernähren sich von den Planktonmassen.

Phytoplankton

Einzellige Kieselalgen machen den Hauptteil des Phytoplanktons aus. Die Zellen sind von einer zweiteiligen Schale (Theka) aus Kieselsäure umgeben. Verschiedenen Untersuchungen zufolge ist die größte gebundene Menge an Kohlendioxid nicht in den tropischen Wäldern, sondern im pflanzlichen Plankton der Weltmeere gebunden.

Planktonfiltrierer

Plankton steht an der Basis der marinen und limnischen Nahrungsnetze. Die im folgenden aufgelisteten Arten sind bekannte Vertreter dieser Ernährungsweise:
- Blauwal
- Finnwal
- Walhai
- Riesenhai
- Flamingo

Weblinks

[http://idw-online.de/pages/de/news?print=1&id=4586 IDW-Pressemitteilung 150 Jahre Planktonforschung (1996)]

Literatur

- Jörg Ott, Meereskunde, 2te Auflage, UTB Stuttgart 1996, ISBN 3825214508
- Ökologie - dtv-Atlas 1998 Siehe auch: Planktologie; Ökosystem See, Luftplankton Kategorie:Limnologie Kategorie:Ozeanologie ------------- Weitere Namensträger:
- Plankton - Rockband aus der Schweiz ([http://www.plankton.ch/ www.plankton.ch]) ---------- ja:プランクトン

Wasserzirkulation

Wasserzirkulationen im Sinne der Limnologie sind die durchmischenden Übergangsphasen zwischen Stagnations-Zuständen einer stabilen Temperaturschichtung in Seen. Sie spielen eine bedeutende Rolle im Ökosystem See In einem typischen hinreichend tiefen See der gemäßigten Zone ergibt sich im Lauf eines Jahres folgender Ablauf ("dimiktischer" Zirkulationstyp: Durch die Sonneneinstrahlung erwärmt sich die obere Schicht (Epilimnion). Sie wird von der untersten Schicht, dem (Hypolimnion) mit seinen nur 3,98°C (siehe Dichteanomalie des Wassers) getrennt durch eine Sprungschicht mit steilem Temperaturgradienten (Metalimnion). Diese temperaturbedingte Dichteschichtung des Sees verhindert den Wasseraustausch zwischen den Tiefenstufen. Im Epilimnion und Teilen des Metalimnion (in der "trophogenen Zone") wird während dieser Sommerstagnation Sauerstoff durch Photosynthese produziert sowie bei Untersättigung auch aus der Luft eingetragen, während im Hypolimnion ausschließlich sauerstoffzehrende Prozesse ablaufen ("tropholytische Zone"), so dass der hier gespeicherte Sauerstoff vermindert und im Extremfall sogar vollständig aufgezehrt werden kann. Durch die herbstliche Abkühlung an der Oberfläche beginnt eine nach der Tiefe hin sich voranarbeitende Durchmischung, getrieben von Konvektion und Wind. Ist eine einheitliche Temperatur und zuletzt auch an der Oberfläche eine Temperatur von 3,98°C erreicht, so besteht im gesamten Wasserkörper kein Dichtehindernis mehr für den Wasseraustausch. Diesen Zustand nennt man Vollzirkulation oder, nach der Jahreszeit, Herbstzirkulation. Durch weitere Abkühlung lagert sich kälteres und dadurch weniger dichtes Wasser an die Oberfläche und bildet so eine kaltstabile Schichtung aus, die von der Oberfläche her zufrieren kann. Dies ist die Winterstagnation. Eine neuerliche Erwärmung im Frühjahr zerstört diese schwache Schichtung und führt zur Frühjahrszirkulation, die von einer neuen Sommerstagnation abgelöst wird. Im Zug der voranschreitenden Durchmischung und der nachfolgenden Vollzirkulation gelangt nährstoffarmes, aber sauerstoffreiches Oberflächenwasser nach unten, während sauerstoffarmes, aber nährstoffreiches Tiefenwasser bis an die Oberfläche gelangt. So kommt Sauerstoff wieder in die Tiefe, wo er vorher in der "tropholytischen Zone" verbraucht worden war, und die dort freigesetzten Nährstoffe werden wieder bis zur Oberfläche verteilt, wo sie in der "trophogenen Zone" erneut für die Primärproduktion verfügbar werden. Seen verschiedener Tiefe und in unterschiedlichen Klimazonen lassen sich nach Zirkulationstypen klassifizieren. Dabei dienen die jährliche Anzahl der Zirkulationen und die Temperaturverteilung zwischen den Schichten als systematische Merkmale. Kategorie:Limnologie Kategorie:Wasser

Hypolimnion

Das Hypolimnion (Hypolimnial) ist die untere, nur durch interne Wellen und deren Ausgleichsströmungen bewegte und bei 3,98°C homogen kalte Wasserschicht in einem geschichteten stehenden Gewässer. Das Hypolimnion ist durch die Sprungschicht, das Metalimnion, von der oberen Wasserschicht, dem Epilimnion getrennt. In Seen zu geringer Tiefe kann sich kein Hypolimnion ausbilden, so dass das Metalimnion mit höheren Temperaturen bereits den Seeboden berührt ("Metalimnische Seen"). Zur Entstehung von Wasserschichten kommt es aufgrund der Dichteanomalie des Wassers. Siehe auch: Temperaturschichtung, Tropholytische Zone, Ökosystem See Kategorie:Limnologie Kategorie:Ozeanologie

Epilimnion

Das Epilimnion (Epilimnial) ist die obere erwärmte und stark bewegte Wasserschicht in einem geschichteten stehenden Gewässer. Das Epilimnion ist durch die Sprungschicht, das Metalimnion, von der unteren Wasserschicht, dem Hypolimnion getrennt. Im Epilimnion baut sich durch die Absorption des Sonnenlichtes (Erwärmung) den Tag über eine eigene Temperaturschichtung auf. Gleichzeitige Windeinwirkung kann eine solche Schichtung gegebenenfalls verhindern und zu einer Phase homogener Erwärmung führen. Bei abendlich abnehmender Sonneneinstrahlung und durch die nächtliche Abkühlung der Oberfläche kommt es innerhalb des Epilimnions zu Konvektionsströmungen, die das ganze Epilimnion homogenisieren und u.U. sogar die obersten Schichten des Metalimnion in die Durchmischung einbeziehen können. Wegen dieser Vorgänge wird das Epilimnion in der physikalischen Limnologie auch als Mixolimnion bezeichnet. Im Frühjahr nimmt die schichtende Kraft der Sonneneinstrahlung zu und übertrifft im Tagesmittel immer mehr die durchmischende Kraft der Windwirkung und der nächtlichen Abkühlung. In dieser Phase nimmt die Dicke des Epilimnions immer mehr ab zugunsten des Metalimnions. Im Herbst wird die Wärmebilanz negativ. Die Abkühlung unterstützt das Übergewicht der durchmischenden Prozesse. Das Epilimnion wird kälter und dabei immer dicker. Immer mehr Wasser aus dem Metalimnion wird mit nach oben eingemischt. Der Endeffekt dieses Vorganges ist die Herbstzirkulation. Zur Entstehung von Wasserschichten kommt es aufgrund der Dichteanomalie des Wassers.

Siehe auch

- Temperaturschichtung
- Trophogene Zone
- Ökosystem See Kategorie:Limnologie Kategorie:Ozeanologie

Mudde

Mudde ist der Sammelbegriff für schlammige limnische Sedimente, deren Zusammensetzungen durch einen großen Anteil an organischem Material gekennzeichnet sind. Das organische Material unterliegt unterschiedlichen Fäulnisprozessen, d.h. im Ablagerungsmilieu herrschen anaerobe Verhältnisse. Je nach Zusammensetzung werden organische (mehr als 30 Massenprozente organischer Substanz: Lebermudde - aus Algen, Torfmudde und Detritusmudde) sowie organo-mineralische Formen (fünf bis dreißig Massenprozente organischer Substanz: Sand-, Schluff-, Ton-, Diatomeen- und Kalkmudde) unterschieden. Zu den Mudden gehören Dy, Gyttja und Sapropel. Kategorie:Biomasse Kategorie:Wasserwirtschaft Kategorie:Geowissenschaft Kategorie:Bodentyp

Gyttja

Gyttja (auch Grauschlammboden oder Mudde genannt) ist ein subhydrischer Boden (Unterwasserboden) in gut durchlüfteten nährstoffreichen Gewässern bzw. entsteht bei längerfristiger bis ganzjähriger Überflutung/Überstauung. Der graue bis grauschwarze organismenreiche Schlamm besteht aus feinem mineralischem Material, das stark mit gut abgebauten pflanzlichen und tierischen Stoffen durchsetzt ist. Sie entstehen bei der Verlandung (oder auch Aggradation genannt). Trockengelegte Böden diesen Typs sind nährstoffreich und mit hohem Wasserhaltevermögen, die bei Wechselfeuchte jedoch stark quellen und schrumpfen. Kategorie:Bodentyp

Zuckmücken

Die Zuckmücken (Chironomidae), auch bekannt als Tanzmücken oder Schwarmmücken, sind eine Familie der Zweiflügler (Diptera) und gehören zu den Mücken (Nematocera). Weltweit leben etwa 5000 Arten dieser Tiergruppe, etwa 570 Arten sind aus Deutschland bekannt. Es handelt sich dabei um meist sehr kleine bis mittelgroße Mücken mit Körperlängen zwischen zwei und 14 Millimetern. Die Zuckmücken sind weltweit verbreitet und kommen sogar in Extremlebensräumen vor, in denen andere Insekten nicht leben. So findet man die Vertreter der Gattung Clunio auf den Ozeanen und die Art Belgica antarctica dauerhaft auf dem antarktischen Kontinent.

Merkmale der Zuckmücken

Wie die Stechmücken (Culicidae) sind auch die Zuckmücken weichhäutig und filigran gebaut. Die Mundwerkzeuge sind zum Stechen und Blutsaugen nicht geeignet, bei vielen Arten sind sie auch gänzlich rückgebildet. Die Antennen sind in Wirteln behaart, damit sie besser zur Aufnahme von Schwingungen geeignet sind. Diese werden an das johnstonsche Organ geleitet und dort verarbeitet. Die Brust ist hochgewölbt, die Flügel sind meistens sehr gut ausgebildet. Sie können jedoch auch bei einem oder bei beiden Geschlechtern mehr oder weniger stark zurückgebildet sein (etwa bei der Gattung Clunio).

Lebensweise der Zuckmücken

Die meisten Arten der Zuckmücken ernähren sich von Nektar und Honigtau. Die Lebensdauer der Imagines beträgt allerdings höchstens einige Tage. Ihren Namen verdanken die Zuckmücken der Eigenschaft, dass sie auch in Ruhe immer zuckende Bewegungen der frei nach vorn gerichteten Vorderbeine durchführen. Die Bedeutung dieser Zuckungen ist unbekannt. Die Flügel werden in Ruhe dachartig auf den Körper gelegt. Die meisten Zuckmücken bilden große Schwärme zur Partnerfindung, die bei Massenvorkommen an Rauchschwaden erinnern können. Ein Ausrücken der Feuerwehr aufgrund dieser Schwärme ist mehrfach belegt. Die Schwärme bestehen vorwiegend, bei manchen Arten auch ausschließlich aus Männchen und treten artspezifisch zu bestimmten Tageszeiten und vorwiegend bei Windstille oder nur schwachem Wind auf. Auch ein gleichzeitiges Schwärmen verschiedener Arten kommt vor, wobei sich die Arten jedoch innerhalb der Schwärme nicht vermischen und sich beispielsweise in unterschiedlicher Höhe vom Boden aufhalten. Die Partnerfindung innerhalb des Schwarms ist bislang nicht aufgeklärt, bei manchen Sumpfarten wirken jedoch Methangase anlockend und schwarminduzierend. Eine Wasseroberfläche wird aufgrund des polarisierten Lichtes erkannt. Die Flughöhe einer Zuckmücke bzw. eines Schwarms ist im Allgemeinen abhängig von der jeweiligen Art, von der Höhe des Aufenthaltsortes über Meeresspiegel, vom Wetter, Luftdruck, der Temperatur und den Lichtverhältnissen. Bei warmem, windstillem Wetter mit leichter Bewölkung ohne starke, direkte Sonneneinstrahlung kann von einigen Arten eine große Flughöhe erreicht werden, denn sie benutzen auch thermische Aufwinde und können so an manchen Orten in Höhen von über 100 m über Boden gelangen. Bei kühler, windiger oder gar regnerischen Witterung fliegen viele Zuckmücken wenn überhaupt nur kurze Distanzen und verbleiben eher in Bodennähe. Deshalb gelten bestimmte Zuckmücken als wirbellose Wetterfeen, nach denen die Schwalben ihre Flughöhe anpassen, da sie sich zum Großteil von Zuckmücken ernähren. Die Isolierung der Arten gegeneinander erfolgt häufig durch jahreszeitlich verschiedenes Auftreten der Imagines. So konnten am Plöner See jahreszeitliche Vorkommen registriert werden, nach denen die Tiere klassifiziert werden können. Zu den Vorfrühlingsarten (März/April) gehören demnach Chaetocladius und Trissocladius grandis, die Frühlingsarten (April/Mai) bilden Stietochironomus crassiforceps und Microtendipes pedellus. Die Sommerarten (Juni bis August) bilden Psectrocladius sordidellus und viele andere Arten, hierbei handelt es sich um die Hauptschlüpfzeit der Zuckmücken. Als ausgesprochene Herbstart (September/Oktober) wurde Chironomus plumosus eingestuft. Zur Fortpflanzung fliegen die Weibchen wahrscheinlich optisch geleitet einen Männchenschwarm an, woraufhin es zu starker Erregung der Männchen kommt. Das Weibchen wird von oben kommend von einem Männchen mit den Vorderbeinen gegriffen und die Kopulation beginnt bereits in der Luft und wird dann meist am Boden vollendet. Dieses Verhalten ist artspezifisch, bei einigen Arten erfolgt auch die gesamte Kopulation im Flug, bei anderen geht sie nur auf dem Substrat vonstatten. Häufig fliegen Weibchen wahllos in einen Schwarm einer anderen Art, die artgerechte Kopulation wird allerdings dadurch gesichert, dass die Fortpflanzungsorgane arttypisch nach den Schlüssel-Schloss-Prinzip aufeinander abgestimmt sind. Wie bei den meisten Zweiflüglern wird das Sperma in Form einer Spermatophore übertragen. Die Weibchen beginnen mit der Eiablage sofort nach der Kopulation, bei einigen Arten kommt auch Parthenogenese vor. Die Eier werden meistens in der Dämmerung oder in der Nacht abgelegt und die Ablage erfolgt artspezifisch unterschiedlich. Bei Chironomus plumosus und Chironomus anthracinus werden die Eiballen über der freien Wasserfläche abgeworfen, die Larven entwickeln sich in den sauerstoffarmen Tiefenschichten der Gewässer. Bei anderen Arten werden die Eiballen an irgendwelche Gegenstände am Wasserspiegel angeheftet oder am Ufer von stehenden oder fließenden Gewässern abgelegt. Manchmal erfolgt die Eiablage auch auf feuchtem Substrat außerhalb des Wassers. Durch das starke Aufquellen der Gallerthülle der Eier bilden sich typische Eiballen aus, die ein Vertrocknen auch bei Trockenfallen verhindern.

Larvalentwicklung

Die Larven

Die Larven der Zuckmücken sind im Habitus recht gleichförmig gebaut. Es handelt sich um durchweg schlanke, wurmförmige Larven mit Kopfkapsel (eucephal). Arttypisch unterschiedlich sind die Mundwerkzeuge, vor allem die Bezahnung des Labium und der kräftigen Mandibeln. Entsprechend werden vor allem diese zur Bestimmung genutzt. Der Körper besteht aus drei Brust- und neun Hinterleibssegmenten und trägt am ersten Brustsegment ein Paar Stummelfüße. Am letzten Segment sitzt ein Paar Nachschieber an, die wie die Stummelfüße mit Häkchen und Borsten besetzt sein können, bei Arten in Gebirgsbächen sogar zusätzlich einen medianen Saugnapf tragen. Die Stummelfüßchen und die Nachschieber ermöglichen eine relativ schnelle Fortbewegung auf dem Substrat. Die Atmung erfolgt über die Haut, die Tracheen sind immer geschlossen. Bei einigen, besonders in sauerstoffarmen Gewässern lebenden Arten wird die Atmung durch fädige Tubuli am Hinterleib ergänzt. Rund um den After können außerdem Analpapillen zur Osmoregulation ausgebildet sein. Um die Atmung zu unterstützen, führen die Larven regelmäßig schlängelnde Bewegungen aus, die einen Wasserstrom um den Körper erzeugen. Besonders Arten in sauerstoffarmen Gewässern sind außerdem meist rot gefärbt, da sie als Blutfarbstoff Hämoglobin besitzen und so noch effektiver Sauerstoff aus dem Wasser aufnehmen können. Einige Arten wie etwa Chironomus riparius kommen phasenweise auch vollkommen ohne Sauerstoff aus (Anaerobiose). Aufgrund der sehr unterschiedlichen Lebensweise werden die Zuckmückenlarven entsprechend ihres Lebensraumes in zwei Hauptgruppen aufgeteilt, die Wasserbewohner (aqautische Larven) und die Bodenbewohner (terrestrische Larven). Die weitaus größte Anzahl der Zuckmückenlarven lebt im Wasser und viele Arten zeigen dabei eine erstaunliche Anpassungsfähigkeit gegenüber den Umweltbedingungen dieses Lebensraumes. So kann man sie sowohl im Süßwasser als auch im Salzwasser bis zu 37 % Salzgehalt finden, außerdem am Ufer, in der Seentiefe, in Gletscherseen, Thermen bis 51 Grad Celsius Temperatur, in Mineralquellen sowie in winzigen Wasseransammlungen in Blattachseln vo

Eutroph

Charakterisierungen

siehe auch

Stillgewässer

Limnologie

Die Stellung der Limnologie im Bereich der Naturwissenschaften

Zur Entstehungsgeschichte

Zeittafel

Literatur

Limnologische Zeitschriften und Periodika

Phosphor

Geschichte

Vorkommen

Gewinnung und Darstellung

Eigenschaften

Gasförmiger Zustand

Modifikationen

Weißer Phosphor

Schwarzer Phosphor

Roter Phosphor

Violetter/Hittorfscher Phosphor

"Phosphor-Nanostäbchen"

Isotope

Verwendung

Biologische Bedeutung

Nachweis

Spektroskopisch

Nasschemisch

Qualitativer Nachweis

Quantitativer Nachweis

Gravimetrie

Volumetrie

Verbindungen

Sauerstoffverbindungen

Verbindungen mit Halogenen

Schwefelverbindungen

Stickstoffverbindungen

Wasserstoffverbindungen und organische Verbindungen

siehe auch

Literatur

Weblinks

Sauerstoffsättigung

Einsatzgebiete und Relevanz

Pulsoxymetrie

Praktische Anwendung der Pulsoxymetrie

Messfehler

Siehe auch

Phosphat

Gewinnung

Verwendung

Eigenschaften

Bedeutung in der Biochemie

Lebensmittelzusatzstoff

Bedeutung für die Ernährung

Eisen

Eigenschaften

Eisen als Mineral

Isotope

Verbindungen

Oxidationsstufen

Oxide

Geschichte

Naher Osten

China

Europa

Vorkommen

Gewinnung und Darstellung

Hochofenprozess

Verwendung

Biologische Bedeutung

Sicherheitshinweise

Nachweis

Siehe auch

Weblinks

Phosphatfalle

Plankton

Lebensräume

Größenunterschiede

Zooplankton

Phytoplankton