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Ionen und Moleküle bei Diffusionen
spezifische
Geschwindigkeiten
haben, kann es während die-
ses Prozesses zu Verschiebungen der Lösungsin-
halte kommen.
Ähnliche Vorgänge können in Gesteinsfolgen,
speziell bei in Sedimentgesteinen häufig einge-
schalteten Tongesteinslagen auftreten. Trotz ihrer
geringen Durchlässigkeit können diese als semi-
permeable Membranfilter wirken (v. E
NGEL
-
HARDT
, 1960). Wenn solche Tonstein-Membranen
zwei verschieden konzentrierte Lösungen tren-
nen, erfolgt eine Bewegung von Wassermolekülen
in Richtung auf die niedriger konzentrierte Lö-
sung. Dabei wirken die Tonsteine wegen ihrer se-
mipermeablen Eigenschaften selektiv (als „
Io-
nensieb
“ ). Die Bewegung der negativ geladenen
Anionen wird nämlich durch negative Aufladung
der Tonmineraloberflächen gehemmt, sodass sie
kaum in die schwächer konzentrierte Lösung
übertreten können. Besonders trifft das für die
Chloride zu, sodass zuweilen Tone als Chlorid-
Sperren wirken. Dagegen werden die Bewegun-
gen der positiv geladenen Kationen kaum
gehemmt. Jedoch sind auch hier an den Tonmi-
neraloberflächen wie bei der Diffusion die Ge-
schwindigkeiten ionenspezifisch und unter-
schiedlich: Li
+
, Na
+
und Mg
2+
sind am schnells-
ten, K
+
und Ba
2+
am trägsten. Infolge dieser
unterschiedlichen Geschwindigkeiten können
sich in Sedimentgesteinen Fronten verschieden
schnell wandernder Kationen herausbilden. Hie-
rauf und auf der Wirkung der Tone als Anionen-
Sperren beruht die vielfach feststellbare Tatsache,
dass sich in Lagen großporiger Sedimente, die
nur durch dünne Tonschichten getrennt sind, Lö-
sungen unterschiedlicher Zusammensetzung und
Konzentration finden.
dampf und demgemäß relativ weniger Sauerstoff
als die Luft über der Erdoberfläche enthält, je-
doch in der Regel sauerstoffhaltig ist. Deshalb
wirkt dieser Raum oberhalb des Grundwassers
oxidierend. Die diesen Raum (wasserungesättigte
Zone) durchsetzenden Sickerwässer tragen gelös-
ten Sauerstoff aus der Atmosphäre in das Grund-
wasser ein, der durch die Strömungsvorgänge
oder Diffusion auch in das tiefere Grundwasser
verfrachtet wird. Viele Grundwässer erreichen
daher Sauerstoff-Sättigung; diese ist temperatur-
abhängig und schwankt in den Grundwässern
Deutschlands bei Sättigung um
(O
2
) = 10 mg/l.
In Analysen wird häufig das Sättigungs-Defizit
(%) angegeben, d.h. die prozentuale Abweichung
des tatsächlichen Gehalts an freiem gelöstem Sau-
erstoff vom maximal möglichen Sättigungswert.
Bei Anwesenheit von freiem, im Wasser gelös-
tem Sauerstoff und einer Temperatur von 25 °C
(= 298 K) gilt die Redoxgleichung:
β
E
(,
1 23
0 0148
,
lg
c
(O )
0 05
,
9 pH)
H
2
Gl. 131
E
H
= Redoxpotenzial (V),
c
=
Stoffmengenkonzentration (mol/l),
pH =
pH-Wert (1).
Sie ergibt sich aus Gl. 116 unter Verwendung des
E
0
-Wertes für O
2
aus Tab. 40.
Das Redoxpotenzial
E
H
nimmt also mit stei-
gendem Sauerstoff-Gehalt zu, sodass stark sauer-
stoffhaltige Wässer oxidierend wirken. Wasser
mit gelöstem Sauerstoff stellt damit ein Verwitte-
rungsagens dar, teils direkt durch Oxidation von
Eisen(II)- und Mangan(II)-Verbindungen, teils
aber auch indirekt über die Oxidation organi-
scher Verbindungen des Bodens sowie von Kaus-
tobiolithen (Torf, Kohle, Erdöl etc.), wodurch der
Sauerstoff selbst verbraucht wird.
Als Beispiel ist in diesem Zusammenhang die
Oxidation der Eisensulfide Pyrit und Markasit
(FeS
2
) zu nennen, die für manche Schichtwässer,
besonders im Rheinischen Schiefergebirge mit
Tonschiefern des Paläozoikums geradezu charak-
teristisch ist. Dieser Vorgang lässt sich auf zweier-
lei Weise darstellen:
3.9.4.5 Oxidation und Reduktion
Oxidation und Reduktion finden auch im
Grundwasser statt und stellen wesentliche geohy-
drochemische Reaktionen dar. Redoxpotenzial
(Abschn. 3.9.3.7) und pH-Wert (Abschn. 3.9.3.5)
bestimmen die Löslichkeit einiger relevanter Io-
nen.
Oberhalb der Grundwasseroberfläche sind die
Hohlräume im Untergrund mit Grundluft (im
Boden = Bodenluft) erfüllt, die zwar häufig höhe-
re Anteile an Kohlenstoffdioxid und Wasser-
•
nach der Verschiebung des Redoxpotenzials:
FeS
2
+ HSO
4
-
+ 15 H
+
+ 8 H
2
O
→
FeSO
4
+
14 e
-
.
