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Technischer Bericht NTB 89-08

Zur Koordinationschemie der Huminstoffe

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Die gelösten Huminstoffe stellen Liganden dar, die die Kationen-Speziierung in natürlichen Wässern beeinflussen, und es besteht das Bedürfnis, diesen Einfluss in Modellrechnungen zu berücksichtigen.

Die gelösten Huminstoffe werden operationell in Humin- und Fulvinsäuren unterteilt. Beide Gruppen sind polyfunktionelle Makromoleküle mit einer grossen strukturellen Vielfalt. Weil sie keine einheitlichen Stoffe darstellen, ist die Beschreibung ihres lösungschemischen Verhaltens nur mit Hilfe stark vereinfachender Modelle möglich.

Das Protolyseverhalten der Huminstoffe wird vorwiegend durch Carboxyl- und phenoIische OH-Gruppen bestimmt, deren Acidität durch Substituenteneinflüsse modifiziert wird. Elegant und chemisch gut begründet erscheint ein ModelI, das für die beiden sauren Gruppen je von einer Normalverteilung der pKa-Werte ausgeht.

Es gibt aber keine Modelle, die das vielfältige Ligandenverhalten der Huminstoffe im Einklang mit der chemischen Realität elementar beschreiben. Alle Modelle vereinfachen so stark, dass sie wohl in der Lage sind, experimentelle Daten zu reproduzieren, aber keine Extrapolation auf experimentell nicht abgedeckte Konzentrationsbereiche erlauben.

Im Sinne einer Minimalbeschreibung lassen sich die Humatkomplexe als eine Mischung von zwei bis drei Einzelkomplexen mit 1:1-Stöchiometrie behandeln. Dabei sind die Stabilitätskonstanten und die Konzentrationen der Einzelliganden adjustierbare Parameter. die von den gewählten Konzentrationsverhältnissen abhängen. Sie gelten ausserdem nur für bestimmte pH-Werte und Ionenstärken. Weil kein einfaches Modell zur Verfügung steht, das die pH-Abhängigkeit der Komplexbildung beschreibt, lassen sich die meist bei tiefen pH-Werten ermittelten Literaturdaten auch nicht approximativ auf natürliche Wässer übertragen.

Die Huminstoffe beeinflussen nicht nur die Lösungschemie der Metalle, sondern auch ihr Sorptionsverhalten an Mineralien. Die mineralischen Oberflächen werden durch die Adsorption von organischem Material modifiziert und weisen nun ein verändertes Sorptionsverhalten auf. Diese Vorgänge werden qualitativ verstanden.

Weil in absehbarer Zeit kein umfassendes prädiktives Modell der Komplexbildung durch Huminstoffe zur Verfügung stehen wird, werden Experimente vorgeschlagen, welche die Metall/ Huminstoff-Wechselwirkung bei realistischen pH-Werten und Metall/Ligand-Verhältnissen empirisch beschreiben. Neben Parameterstudien und Experimenten in Modell- oder Standortwässern dürften auch Analogstudien hilfreich sein.

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