Benutzer:Drahkrub/Wasserpotenzial

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In den Naturwissenschaften ist das Wasserpotenzial die Arbeit, die erforderlich ist, um Wasser aus einem System in ein anderes zu überführen, etwa beim Übergang aus den Blättern einer Pflanze oder dem Boden in die Atmosphäre. Wasser bewegt sich dabei vom jeweils höheren zum niedrigeren Potenzial. Das Konzept des Wasserpotenzials ist eine besondere Formulierung des chemischen Potenzials für den Stoff Wasser und findet insbesondere in Bodenkunde, Hydrologie und Biologie Verwendung.

Motiviation

Die Fähigkeit eines Stoffes wie Wasser, sich im Raum umzuverteilen oder seine Zustandsform zu ändern, wird vollständig durch Angabe seines chemischen Potentials beschrieben:

Verwendete Formelsymbole

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

$\mu _{{H_{2}}O}=\mu _{{H_{2}}O}^{\circ }+RT\ln \left\{a_{{H_{2}}O}\right\}+p{\overline {V}}_{{H_{2}}O}+ghM_{{H_{2}}O}+FEz_{{H_{2}}O}$

Dabei sind: $\mu _{{H_{2}}O}^{\circ }$ das chemische Potenzial von Wasser bei Standardbedingungen, $RT\ln \left\{a_{{H_{2}}O}\right\}$ der Term für die chemische Aktivität, $p{\overline {V}}_{{H_{2}}O}$ der Druckterm mit dem partiellen Molvolumen${\overline {V}}_{{H_{2}}O}$, $ghM_{{H_{2}}O}$ der Gravitationsterm mit der Molmasse $M_{{H_{2}}O}$ sowie $FEz_{{H_{2}}O}$ der elektrische Term mit der Ladungszahl $z_{{H_{2}}O}$.

Für reines Wasser unter Standardbedingungen gilt $\mu _{{H_{2}}O}=\mu _{{H_{2}}O}^{\circ }$.

Vereinfachung 1: Abweichung vom Standardzustand

Das chemische Potential eines Stoffes ist nur schwer unmittelbar zu ermitteln. Da für die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, nur Potenzialdifferenzen und nicht absolute Werte entscheidend sind, kann das Wasserpotenzial als die Abweichung des chemischen Potenzials vom Standardzustand definiert werden:

$\Psi \equiv \mu _{{H_{2}}O}-\mu _{{H_{2}}O}^{\circ }$

In dieser Form bezieht sich das Wasserpotenzial auf eine bestimmte Masser Wasser, es hat die physikalische Größe einer Arbeit oder Energie mit der Größeneinheit Joule/Kilogramm. Es kann aber auch auf ein bestimmtes Volumen (genauer das partielle Molvolumen von Wasser) normiert werden:

$\Psi \equiv {\frac {\mu _{{H_{2}}O}-\mu _{{H_{2}}O}^{\circ }}{{\overline {V}}_{{H_{2}}O}}}$

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 das Potenzial auf das Gewicht des Wassers im Kraftfeld der Erde bezogen wird.

Wenn Wasser in reiner Form vorliegt, beträgt der numerischer Wert des Wasserpotenzials bei Standardbedingugne nach obigen Definitionen 0. Wasser in Stoffmischungen hat dagegegen ein niedrigeres Potenzial (→ Lösungseffekt); sein Wert ist dann negativ.

Vereinfachung 2: Teilpotenziale

Je nach Fragestellung und Bedingungen können bestimmte Teilpotenziale zusammengefasst oder vernachlässigt werden. Insbesondere der elektrische Term kann für Wasser bei neutralem pH-Wert vollständig wegfallen; der Gravitationsterm muss nicht berücksichtigt werden, wenn der zu überwindende Höhenunterschied vernachlässigbar klein ist.

In der Bodenkunde ist das Wasserpotenzial $\psi _{w}$ die Summe aus Matrixpotenzial $\psi _{m}$, Druckpotenzial $\psi _{p}$ und Osmotischem Potenzial $\psi _{o}$. Das Gaspotenzial $\psi _{g}$ wird meist nicht berücksichtigt:

$\psi _{w}=\psi _{p}+\psi _{m}+\psi _{o}(+\psi _{g})\,$

Dabei umfasst das Matrixpotenzial $\psi _{m}$ (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 $\psi _{o}$ (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 $\psi _{g}$ müsste berücksichtigt werden, wenn der Luftdruck innerhalb des beobachteten Systems Boden - Pflanze nicht gleich wäre.

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.

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