Benutzer:Drahkrub/Wasserpotenzial
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In den Naturwissenschaften ist das Wasserpotenzial die Arbeit (Physik), die aufgebracht werden muss, um Wasser aus einem System oder einem Bereich in ein anderes System zu überführen (beispielsweise beim Übergang vom Boden in die Luft). In einem Gradienten des Wasserpotenzials bewegt sich Wasser immer zum niedrigeren Potenzial. Besondere Bedeutung hat das Konzept des Wasserpotenzials insbesondere in der Bodenkunde, der Hydrologie und der Biologie.
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[Bearbeiten] Grundlagen
Die Fähigkeit eines Stoffes beim Übergang von einem System in ein anderes Arbeit zu verrichten, wird durch die Differenz der freien Enthalpien oder Gibbs-Energie bestimmt. Die gesamte freie Enthalpie eines Stoffgemisches ist die aus allen freien Enthalpien der vorhandenen Komponenten. Die freie Enthalpie einer Komponente wird, bezogen auf ein Mol der Substanz, durch sein chemisches Potenzial angegeben. Dieses kann zerlegt werden in ein Standardpotenzial und sowie eine Reihe von Teilpotenzialen, die die Abweichung von Standardzustand angeben. Für das chemische Potenzial von Wasser gilt:
| μ | Chemisches Potenzial | J |
| R | universelle Gaskonstante | 8,314 J·mol−1·K−1 |
| T | absolute Temperatur | K |
| {a} | Aktivität | |
| p | Druck | Pa |
| g | Erdschwerebeschleunigung | 9,806 m·s-2 |
| h | Hubhöhe | m |
| M | partielles molares Volumen | m3 |
| F | Faraday-Konstante | 96 485,34 C · mol−1 |
| E | elektrisches Potential | V |
| z | Ladungszahl |
Dabei sind 
das chemische Potenzial von Wasser bei Standardbedingungen, 
der Term für die chemische Aktivität, 
der Druckterm mit dem partiellen Molvolumen
, 
der Gravitationsterm mit der Molmasse 
sowie 
der elektrische Term mit der Ladungszahl 
.
Für reines Wasser unter Standardbedingungen gilt 
. Das chemische Potential eines Stoffes ist nur schwer unmittelbar zu ermitteln. Da für die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, nicht absolute Werte sonder nur Potenzialdifferenzen entscheidend sind, kann das Wasserpotenzial als die Abweichung des chemischen Potenzials von Wasser vom Standardzustand definiert werden:
In dieser Form bezieht sich das Wasserpotenzial auf eine bestimmte Masser Wasser, in dieser Form hat es die Größeneinheit Joule/Kilogramm, es hat die physikalische Größe einer Arbeit oder Energie.
Zusätzlich kann das Wasserpotential auf ein bestimmtes Volumen (genauer das partielle Molvolumen von Wasser) normiert werden:
In dieser Definition entspricht das Wasserpotenzial einem Druck und wird in Pascal oder MPa angegeben.
Anschaulich ist auch die Angabe als Länge (Meter Wassersäule), wenn es auf das Gewicht des Wassers im Kraftfeld der Erde bezogen wird.
Das Wasserpotenzial von reinem Wasser unter Standardbedingungen hat nach dieser Defintion immer den Wert 0.
[Bearbeiten] Teilpotenziale
Je nach Fragestellung und Bedingungen können bestimmte Teilpotenziale zusammengefasst oder vernachlässigt werden. Insbesondere der elektrische Term fällt für Wasser mit neutralem pH-Wert vollständig weg, der Gravitationsterm muss nicht berücksichtig werden, wenn der zu überwindende Höhenunterschied vernachlässigbar klein ist.
In der Bodenkunde ist das Wasserpotenzial ψw die Summe aus Matrixpotenzial ψm, Druckpotenzial ψp und Osmotischem Potenzial ψo. Das Gaspotenzial ψg wird meist nicht berücksichtigt.
Dabei umfasst das Matrixpotenzial ψm (auch: Kapillarpotenzial) alle Kräfte, mit denen Wasser von der Bodenmatrix festgehalten wird. Das Matrixpotenzial ist um so größer, je feinkörniger ein Boden strukturiert ist. Wenn der Boden langsam austrocknet, steigt das Matrixpotenzial an, bis nur noch das nicht mobilisierbare „Totwasser“ in den feinsten Poren vorhanden ist. Das Matrixpotenzial wird meist als Druck mit einem negativem Vorzeichen angegeben. Lässt man das Vorzeichen weg, entspricht es der Bodenwasserspannung.
Das Osmotische Potenzial ψo (auch: Lösungspotenzial) ist definiert als die Arbeit, die aufgebracht werden muss, um eine bestimmte Menge Wasser durch eine semipermeable Membran aus der Bodenlösung aufzunehmen. Es ist von der Menge an gelösten Salzen abhängig. In Trockengebieten und in den Marschen kann das Osmotische Potenzial besonders hoch sein.
Ein Gaspotenzial ψg müsste berücksichtigt werden, wenn der Luftdruck innerhalb des beobachteten Systems Boden - Pflanze nicht gleich wäre.
[Bearbeiten] Bestimmung
Das Wasserpotenzial eines Bodens kann mit Hilfe von Gipsblock-Elektroden direkt gemessen werden. Dabei wird ein Gipsblock in den Boden eingebaut und die elektrische Leitfähigkeit innerhalb des Blocks gemessen. Bei hohem Wassergehalt des Bodens (niedriges Wasserpotenzial) sind viele der Poren des Blocks mit Wasser gefüllt und leiten den Strom besser.
Mit Hilfe eines Tensiometers kann das Matrixpotenzial bestimmt werden. Da das Osmotische Potenzial in salzarmen Böden vernachlässigbar ist, entspricht das so gemessene Matrixpotenzial im Wesentlichen dem Wasserpotenzial.
[Bearbeiten] Literatur
- Physikalische Chemie#Allgemeine Lehrbücher (chemisches Potential, Gibbs-Energie)
- Scheffer/Schachtschabel „Lehrbuch der Bodenkunde“, 13. Aufl., 1992, ISBN 3-432-84773-4
- Karl Heinrich Hartge "Einführung in die Bodenphysik", 1. Auflage, 1978, ISBN 3-432-89681-6
- Sitte P., Weiler E.W., Kadereit J.W., Bresinsky A., Körner C. Strasburger – Lehrbuch der Botanik, Kapitel Wasserpotential. Spektrum Gustav Fischer 2002, ISBN 3-8274-1010-X
