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Natürliche Kreisläufe sind Stoffkreisläufe, die durch Energieumwandlungen aufrechterhalten werden. Die Stoffe in den Kreisläufen unterliegen in unterschiedlichem Maße verschiedenen physikalischen, chemischen oder biogeochemischen Zustandsveränderungen. In den Kreisläufen der Stoffe werden entweder nur der Weg eines chemischen Elements und seiner anorganischen und organischen Verbindungen, oder der Weg einer einzigen Verbindung eines Elementes betrachtet.

* 15.01.1895 in Helsinki
† 11.11.1973 in Helsinki

ARTTURI ILMARI VIRTANEN war ein finnischer Chemiker, dessen Spezialgebiet die Landwirtschaft war. Er erforschte die Konservierung von Grünfutter mithilfe der Milchsäuregärung und befasste sich mit dem Stoffwechsel der Knöllchenbakterien. 1945 erhielt Virtanen den Nobelpreis für Chemie.

Die Härte des Wassers entsteht durch gelöste Salze. In natürlichen Wässern sind das vor allem Magnesium- und Calciumhydrogencarbonat und -sulfat die aus dem Boden gelöst wurden. Je mehr Salze im Wasser gelöst sind desto härter ist das Wasser. Die Wasserhärte ist je nach Beschaffenheit des Bodens von Region zu Region verschieden.

Man unterscheidet dabei zwischen permanenter Härte und temporärer Härte. Die temporäre Härte wird durch den Gehalt an Hydrogencarbonaten verursacht und kann durch Erhitzen entfernt werden. Die permanente Härte wird durch die Sulfate verursacht und bleibt beim Erhitzen unverändert.

Als Maß für die Wasserhärte galt früher in Deutschland das „Grad deutscher Härte“– °dH. Inzwischen gibt man die Wasserhärte allerdings durch die Konzentration der Erdalkaliionen in mmol/l an.

Wasser kommt in der Umwelt in allen drei Aggregatzuständen vor. In der Atmosphäre findet sich vor allem gasförmiges Wasser (Wasserdampf). Auf der Erdoberfläche gibt es flüssiges Wasser und festes Wasser (Eis).
Durch verschiedene miteinander verbundene Prozesse wird das Wasser zwischen der Erdoberfläche, dem Grundwasser und der Atmosphäre immer wieder ausgetauscht. Diese Prozesse bilden den Wasserkreislauf und sorgen für den Erhalt des kostbaren Süßwasserbestands der Erde. 

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Wasser ist das am häufigsten vorkommende Oxid, das in der Natur in allen drei Aggregatzuständen anzutreffen ist. Es ist Lebensraum für viele Organismen und Lösungsmittel für eine Vielzahl von Verbindungen wie Säuren, Basen oder Salze. Deshalb fungiert Wasser als Transportmittel in der Natur, aber auch selbst als Ausgangsstoff für eine Vielzahl chemischer Reaktionen, z. B. die Fotosynthese.
Aufgrund seiner chemischen Bindungsverhältnisse weist Wasser einige außergewöhnliche Eigenschaften auf, die man als Anomalie des Wassers bezeichnet.
Infolge seiner herausragenden Bedeutung für das Leben auf der Erde ist Wasser ein wertvoller Rohstoff. Aus diesem Grund ist es notwendig, Chemikalieneinträge in die Gewässer zu vermeiden und die Abwässer aus industriellen Prozessen aber auch aus privaten Haushalten einer speziellen Abwasserbehandlung zu unterziehen.

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Multiple-Choice-Test zum Thema "Chemie - Umweltchemie".

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Strontium ist ein unedles, leichtes Erdalkalimetall, dessen silbriger Glanz an der Luft schnell verblasst. Es kann durch Schmelzflusselektrolyse aus SrCl₂ gewonnen werden und bildet Verbindungen mit Sr-Ionen. Charakteristisch für Strontium und seine Verbindungen ist die rote Flammenfärbung. Verwendet wird Strontium als Legierungs- und Gettermetall zum Binden von Resten von Luft in Hochvakuumröhren.

Tantal ist ein hochschmelzendes, dehnbares, luftbeständiges Metall der 5. Nebengruppe, das erst bei höheren Temperaturen mit Sauerstoff zu Ta₂O oder mit Chlor zu TaCl reagiert. Die Oxidationsstufe +V ist die beständigste. Das aus dem Oxid mit Kohlenstoff gewinnbare Metall wird zur Herstellung von Spateln, Schalen, Kesselauskleidungen sowie für medizinische Instrumente (Prothesen, Nägel) genutzt.

Technetium ist ein silberglänzendes, radioaktives Schwermetall der 7. Nebengruppe, das nur künstlich hergestellt werden kann. Die häufigsten Oxidationsstufen in den Verbindungen sind +IV (z. B. TcO₂) und +VII (z. B. NaTcO₄). Bei der Spaltung von ²³⁵U in Kernreaktoren fällt Tc in Kilogramm-Mengen an. Nach aufwendiger Abtrennung kann durch katodische Reduktion von TcO-Lösungen das Metall hergestellt werden. Das von Mendeleew vorausgesagte Element dient u. a. zur Herstellung von Radiopharmazeutika.

Tellur ist ein seltenes, metallisch-glänzendes Element der 6. Hauptgruppe. Bei höheren Temperaturen ist es reaktiv und reagiert mit Sauerstoff zu TeO₂ oder mit Chlor zu TeCl₄. Die Oxidationsstufe +VI ist weniger stabil. Der Anodenschlamm der Kupferraffination enthält Telluride (z. B. Cu₂Te), aus denen Tellur gewonnen wird. Zahlreiche Legierungen enthalten Tellur (<1 %) zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und der mechanischen Eigenschaften.

Terbium, das 8. Element der Gruppe der Lanthanoide, tritt in der Natur nur als Nuklid ¹⁵⁹Tb auf, es ist also ein Reinelement. Das silbergraue Schwermetall ist schmiedbar und weitgehend luftbeständig. In verdünnten Säuren ist es unter Bildung farbloser Tb(III)-Ionen löslich. Entsprechend der Valenzelektronenkonfiguration, [Xe] 4f⁹ 6s², können auch in Wasser nicht beständige Tb(IV)-Verbindungen synthetisiert werden. Aus dem Oxid, Tb₂O₃, kann auf metallothermischem Weg das Metall gewonnen werden. Es ist technisch zzt. ohne große Bedeutung.

Thallium ist ein bläulich schimmerndes, weiches, unedles Schwermetall, das chemisch und physikalisch dem Blei ähnlich ist. Thalliumverbindungen sind toxisch. Sie erzeugen eine grüne Flammenfärbung. Als Element der 3. Hauptgruppe bildet es Verbindungen mit den Oxidationsstufen +III (TlCl₃) und +I (TlCl), wobei letztere stabiler sind. Thallium kommt in der Natur vergesellschaftet mit Blei und Zink vor und wird bei deren Gewinnung als Nebenprodukt, z. B. durch Elektrolyse von
Tl₂SO₄-Lösungen, gewonnen. Verwendung finden das Metall und seine Verbindungen in Kältethermometern (Tl-Hg-Legierung) und zur Herstellung von IR-durchlässigen Optiken (TlBr).

Thorium, das 1. Element der Reihe der Actinoide, ist ein radioaktives, silberweißes, dehnbares Schwermetall. Es verbrennt im Sauerstoffstrom zu ThO₂. Es löst sich langsam in verdünnten Säuren. Von Wasser wird es nicht angegriffen. Die wichtigste Oxidationsstufe ist IV. Monazitsand enthält bis zu 12 % ThO₂. Aus ihm wird Thorium abgetrennt, in KThF₅ überführt und daraus elektrochemisch abgeschieden. In Hochtemperatur-Reaktoren werden ThO₂ und ThC₂ eingesetzt. Thorium ist ein Legierungsbestandteil für Cu-Ag-Legierungen (elektrische Kontakte).

Thulium, das 12. Element der Gruppe der Lanthanoide, ist ein weiches, silbrig glänzendes, seltenes Schwermetall. Es lässt sich mit dem Messer schneiden. Thulium wird von trockener Luft nicht angegriffen. Es bildet Verbindungen mit der Oxidationsstufe III. Das Metall löst sich in verdünnten Säuren unter Bildung grüner Tm³⁺-Ionen. Es sind auch einige Tm(II)-Verbindungen bekannt. Durch Metallothermie (TmF₃ / Ca) lässt sich das Metall herstellen, das gegenwärtig nur geringe technische Bedeutung hat (z. B. ¹⁷⁰Tm als γ-Strahler zur Werkstoffprüfung).

Titanium ist ein glänzendes, luftbeständiges Leichtmetall das überwiegend Verbindungen mit der Oxidationszahl IV (4. Nebengruppe) bildet. Titanium wird meist aus Ilmenit (FeTiO₃) gewonnen, wobei das als Zwischenprodukt gebildete TiCl4 metallothermisch in das Metall übergeführt wird. Es ist ein wertvoller schlagzäher Werkstoff (Triebwerke) und Legierungsbestandteil (Titanstahl). Titan(IV)-oxid ist ein wichtiges Weißpigment. Verbindungen mit Bor, Kohlenstoff und Stickstoff werden als Hartstoffe verwendet.

Uranium, das bekannteste (3.) Element der Gruppe der Actinoide, ist ein radioaktives, silber-weißes, dehnbares Schwermetall. Es gehört nicht zu den seltenen Elementen. Am häufigsten tritt Uranium in den Oxidationsstufen VI (z. B. Na₂U₂O₇ * 6 H₂O, gelb) und IV (z. B. UO₂, schwarzbraun; UF₄, grün) auf. Auch U(III)-Verbindungen (UF₃, schwarz) sind bekannt. Das Metall überzieht sich an der Luft mit einer braunen Oxidschicht. In verdünnten Mineralsäuren ist es löslich. Uranium-Verbindungen sind toxisch.

Die Herstellung des Metalls erfolgt metallothermisch. Für Spaltprozesse ist das Isotop ²³⁵U bedeutsam, das je nach Verwendung des Uraniums z. B. mit Gaszentrifugen (Verwendung des leichtflüchtigen UF₆) angereichert wird.

Vanadium ist ein stahlgraues Schwermetall der 5. Nebengruppe. Neben der häufig in Verbindungen anzutreffenden Oxidationsstufe V tritt das Element auch in niederen Oxidationsstufen z. B. II in [V(H₂O)₆]^{2 +}-Verbindungen (violett) oder III in [V(H₂O)₆]^{3 +}-Verbindungen (grün) auf. Meist wird aus den Vanadiumerzen z. B. Vanadinit, Pb₅(PO₄)₃Cl, Ferrovanadium gewonnen, das zur Stahlveredelung (Vanadinstahl) eingesetzt wird. Vanadiumoxide finden als Katalysatoren z. B. bei der Herstellung von Schwefelsäure Verwendung.

Vanille kennt jeder. Es handelt sich um ein beliebtes Gewürz für Süß- und Backwaren. Anhand des Geruches kann jeder dieses Gewürz erkennen. Für das Aroma ist besonders das enthaltene Vanillin verantwortlich.

Die Moleküle des Vanillins zeichnen sich in der Struktur durch eine ganz besondere funktionelle Gruppe aus. Dabei handelt es sich um die Aldehydgruppe (-CHO). Diese strukturelle Besonderheit ist im Namen durch die Endung -al gekennzeichnet. Stoffe mit einer oder mehreren Aldehydgruppen im Molekül heißen Aldehyde.

Aldehyde und Ketone sind wichtige Verbindungsklassen der organischen Chemie. Die wichtigsten Vertreter sind die Alkanale und Alkanone. Als funktionelle Gruppe enthalten die Moleküle beider Stoffklassen die Carbonylgruppe (-C=O).
Aldehyde und Ketone zeichen sich u.  a. durch intensive Grüche aus. Sie finden deshalb Anwendung als Geruchs- und Aromastoffe. Sowohl Aldehyde als auch Ketone lassen sich zu Alkoholen reduzieren. Im Gegensatz dazu lassen sich nur Aldehyde leicht oxidieren, wobei Carbonsäuren entstehen.