Eigenschappen van water
Een belangrijke eigenschap van water (chemischaangeduid met H2O) is dat het degrootste soortelijke massa (ofwel soortelijke gewicht, s.g.) heeft bij 4oC. Hierdoor is ijs lichter dan koud wateren blijft het drijven. Zuiver water van 4oCheeft per definitie een s.g. van 1, zodat 1 liter zuiver water precies1 kilogram weegt. Zodra water kouder wordt, dan rangschikken demoleculen zich in een rooster, waardoor ze meer ruimte innemen en neemthet s.g. af. IJs van 0oC heeft eens.g. van 0,917 en zal dus op het water drijven. Ook warmer water islichter. Het s.g. van water van bijvoorbeeld 20oCis 0,997. Door deze eigenschap van water is de aarde niet in eenijsklomp verandert. Stel dat ijs zwaarder zou zijn dan water. In datgeval zou het naar de bodem zinken, zodat de warmte van de zon ermoeilijk of zelfs helemaal niet meer bij kan komen. Hierdoor zou erzich op de bodem van de oceanen een permanente laag ijs bevinden, diede temperatuur van de aarde beduidend lager zou maken dan dat deze nuis.
Het s.g. van water wordt ook bepaald door de stoffen die er in zijnopgelost. Opgelost keukenzout (natriumcloride, chemisch aangeduid alsNaCl) is in de natuur een belangrijke factor. Water wordt zwaarder alshet meer zout bevat. Zeewater met een concentratie zout van ongeveer 35promille heeft een s.g. van 1,028. Daarmee is zout zeewater zwaarderdan zoet rivierwater. Als een rivier in zee stroomt, dan zal het zoeterivierwater nog geruime tijd bovenop het zeewater blijven drijven.Omgekeerd bestaat er een zoute onderlaag in de rivier, die zich eenheel eind landinwaarts kan ontwikkelen.

Temperatuur

De temperatuur van het Nederlandse oppervlaktewaterverandertvoortdurend onder invloed van de seizoenen. Kort gezegd is het 'swinters koud en zomers warm. De temperatuur in ondiepe wateren is overde hele diepte van de waterkolom ongeveer gelijk. Warmte van de zonzorgt overdag voor opwarming en 's nachts zorgt uitstraling voorafkoeling van de bovenste waterlaag. Door menging krijgt de helewaterkolom dezelfde temperatuur. De menging gebeurt ten dele doorconvectiestroming, die het gevolg is van de verschillen in s.g. vanwatermassa's met een verschillenden temperatuur. Het koelere water 'snachts zakt naar de bodem en het bodemwater komt dan naar boven. Degrootste menging wordt veroorzaakt door de wind. Deze zorgt voor eensterke turbulentie, waardoor tot op grote diepte de waterlagen doorelkaar worden gegooid.
In de loop van het voorjaar en het begin vande zomer neemt de wind gemiddeld af en zal er mindermenging optreden. In een dieper meer kan hierdoor de bovenste waterlaagzodanig opwarmen, dat er een verschil in temperatuur tussenoppervlak en bodem ontstaat waardoor 's nachts geen mengingmeer optreedt. Er ontstaat er een temperatuursgradiŽnt van bovennaar beneden, waarbij de bovenste waterlaag warm is en de onderstewaterlaag koud. Hiertussen bevindt zich een relatief dunne laagwaarin de temperatuur snel verandert. Deze tussenlaag wordt despronglaag of thermocline genoemd. Als de temperatuur in de bovenlaagverder stijgt, dan wordt het verschil tussen het oppervlaken de bodem steeds groter. De temperatuursgradiŽnt wordt sterker enkomt dieper teliggen. In de bovenlaag, het epilimnion genoemd, is hettemperatuursverloop gering. De wind kan hier voor voldoende mengingzorgen en de bovenlaag redelijk homogeen houden. De spronglaag schermtde bodem, het hypolimnion, af van het bovenliggende epilimnion.Aangezien deze situatie zich in ons land alleen 's zomers voordoet,wordt de situatie de zomerstagnatie genoemd. Als in de herfst detemteratuur afneemt en de wind sterker wordt, dan ontstaat er op eengegeven moment een situatie dat de spronglaag niet sterk genoeg meer isom de stratificatie in stand te houden. De gehele watermassa wordt danopnieuw gemengd en het de temperatuur over de hele waterkolom wordtweer gelijk. In erg diepe meren en in de oceanen zijn spronglagenaanwezigdie in het geheel niet meer verdwijnen en daarmee permanent hetepilimnion van het hypolimnion scheiden.

Zuurstof

zuurstofverzadiging bij verschillende temperaturen
De zuurstofverzadiging bij verschillende temperaturen en bijeen constante druk van 1 atmosfeer.


Schematisch verloop van de temperatuur en dezuurstofconcentratie als er zich een spronglaag heeft ontwikkeld.
Zuurstof (chemisch aangeduid met de letter O) is het gas dat planten endieren nodig hebben om te kunnen leven. Het wordt door plantenals bijproduct van de fotosynthese gemaakt. Fotosynthese is het proceswaarbijplanten uit koolzuurgas en water voedingsstoffen maken in de vorm vansuikers. Deze voedingsstoffen worden omgekeerd door dieren (en inmindere mateook door planten) weer gebruikt om energie te produceren,waarbij als afvalstoffen weer koolzuurgas en water vrijkomen.
Deconcentratie zuurstof in water is veel lager dan inde lucht. Lucht bevat ongeveer 20% zuurstof, dus 200 g zuurstofper kglucht. In met zuurstof verzadigd water van 15oCis dat 10,15 mg ofwel 0,01015 g per kg. Waterorganismen enlandorganismen hebben dan ook verschillende methodes ontwikkeld om dezuurstof uit hun omgeving te kunnen opnemen.
Deconcentratie vanzuurstof in water is afhankelijk van de temperatuur en de druk. Bijeen hogere druk kan er meer zuurstof zijn opgelost en omgekeerd kan bij eenhogere temperatuur juist minderzuurstof zijn opgelost. Het grafiekjegeeft de concentratie zuurstof voor 100% verzadiging met verschillendetemperaturen en bij 1 atmosfeer luchtdruk.
Het transport van zuurstof vanuit de lucht naar het water en vervolgensnaar de verschillende diepere waterlagen vindt hoofdzakelijkplaats door convectiestroming en turbulentie veroorzaakt door de wind.Hierdoor zalin het algemeen overal in de waterkolom evenveel zuurstof aanwezigzijn. Als er echter een spronglaag is ontstaan, dan vindt er geen ofnog maar heel weinig uitwisseling plaats tussen het epilimnion en hethypolimnion. Hierdoor kan er vrijwel geen zuurstof van het oppervlakmeer doordringen in de diepere waterlagen. In de buurt van de bodem kaner dan een zuurstoftekort optreden. Om geen sterfte onder vissen enandere waterdieren te laten optreden geldt als vuistregel dat er eenminimum van 5 mg/l O2aanwezig moet zijn. Vooral als een spronglaag lang aanwezig blijft ener veel zuurstofverbruik bij de bodem plaatsvindt, dan kan er eentekortgaan optreden. (Dit is ťťn van de redenen dat er nogal eens stemmenopgaan om diepe meren maar vol te gooien. De problemen die er ontstaandoor het optreden van een spronglaag zijn in het algemeen minimaal endit plan is ook om andere redenen slecht.)
Bij voedselrijkwater kunnen er algen gaan groeien. Doorfotosynthese van de algen in de bovenste waterlaag in de buurt van hetzonlicht kan dan een verhoging van de zuurstofconcentratie optredentot boven de 100% van de verzadigingswaarde. De algenzakken in de loop van de tijd naar beneden en blijven vervolgensop despronglaag hangen. Hierdoor ontstaat er een ophoping van algen bij despronglaagen daarmee een extra verhoging in de zuurstofconcentratie. Er ontstaateen soor van 'neus' in de grafiek met de concentratie.
Vooral door het effect van fotosynthese, turbulentie en stagnatieontstaat er een zeer dynamisch en gevarieerd patroon van concentratiesaan zuurstof in het water. Een enkele meting aan zuurstof zegt dan ookweinig. Vooral tijdreeksen en metingen in verschillende dieptelagengeven een beeld van wat er aan de hand is in het water.

Koolzuur

Koolzuur (chemische aanduiding voor de gasvorm is CO2)is voor planten essentieel om de fotosynthese te kunnen uitvoeren. Viade fotosynthese maken zij voedingsstoffen en gebruiken daarvoorkoolzuur en water. Het gedrag van koolzuur in water is veelingewikkelder dan dat van zuurstof. Koolzuur gaat namelijk als het inwater wordtopgelost een reactie aan met allerlei andere stoffen. Om te beginnenvormt het samen met water een zuur, waarbij de reactie zowel heen alsterug kan lopen:
CO2 + H2O <==> H2CO3

Het zuur splitst zich vervolgens weer in een waterstofion en eenbicarbonaation volgens:
H2CO3 <==> H+ + HCO3-

Het bicarbonaation splitst zich verder in opnieuw een waterstofion eneen carbonaation volgens:
HCO3- <==> H+ + CO32-

Het voorkomen van de verschillende vormen is afhankelijk van de pH vanhet water. Bij een pH van 4 en lager is alle koolzuur aanwezig in devorm van CO2. Bij een pH>12 is eralleen nog carbonaat CO32-aanwezig. Zodra er kalk in de buurt is, CaCO3,dan kan er veel meer koolzuur in het water voorkomen. Kalk is zeerslecht in water oplosbaar. Zodra er koolzuur bij komt, dan gaat de kalkover in calciumbicarbonaat, wat veel beter oplosbaar s, volgens:
CaCO3 + CO2 --> Ca(HCO3)2

koolzuurei
Het'koolzuurei'. Hierin wordt het carbonaat - bicarbonaat evenwichtweergegeven. De relatieve bijdragen van het vrije koolzuur, bicarbonaaten carbonaat worden uitgezet tegen de zuurgraad van het water.
Zolang er kalk aanwezig is, kan het bicarbonaat worden aangevuld.Hierdoor kan er veel meer koolzuur in het water voorkomen, dan zoukunnen als het alleen opgelost voor zou komen. Als water met veelcalciumbicarbonaat wordt gekookt, dan wordt een deel van het koolzuurweer verdreven en slaat er kalk neer. Er bestaat dus een een evenwichttussen kalk, bicarbonaat en koolzuur dat o.a. afhankelijk is van de pH.Als er onder invloed van planten CO2wordt onttrokken, dan verandert het evenwicht en daarmee de pH. Doorverschuiving van het evenwicht probeert het systeem in eerste instantiede verandering op te vangen, er bestaat op deze manier een pH-buffer.Als de onttrekking erg groot wordt, zoals bij een algenbloei, dan kande pH oplopen tot waarden van 9 en zelfs 10. Indien er geen kalk in hetwater zit en er dus geen pH-buffering plaatsvindt, dan kan de pH zakkentot onder de 5. Vooral als er organische zuren aanwezig zijn, dan kande pH in de buurt komen van de 4.
Met dit onderwerp samenhangend wordt in de techniek gebruikgemaakt van het begrip 'hardheid' van het water. Het gaat dan om detotale hoeveelheid calcium en magnesium in het water. Magnesium komt inveel mindere mate in water voor, maar reageert vrijwel op dezelfdemanier als het calcium. Je kunt onderscheid maken tussen de tijdelijkeen de permanente hardheid. Tijdelijke hardheid wordt veroorzaakt doorcarbonaten en bicarbonaten. Deze twee stoffen verdwijnen door koken,omdat dan een deel van het CO2 uithet water verdwijnt en er kalk neerslaat. De permanente hardheid wordtveroorzaakt door calcium- en magnesiumzouten anders dan (bi)carbonaten,dus bijvoorbeeld chloriden of sulfaten. Deze stoffen verdwijnen nietdoor het water te koken. De combinatie van de tijdelijke en depermanente hardheid geeft de totale hardheid. Deze wordt uitgedrukt inDuitse hardheidsgraden. Per definitie is 1 graad Duitse hardheid gelijkaan 10 mg calciumoxide (CaO) per liter water. Water met minder dan 8graden Duitse hardheid wordt zacht water genoemd. Meer dan 18 gradenDuitse hardheid geeft hard water.

IJzer

IJzer (chemische aanduiding: Fe) is een metaal en het komt inverschillendevormen voor. Het komt voor in degereduceerde tweewaardige (ferro)vorm en in de geoxideerdedriewaardige(ferri)vorm. In het zuurstofrijke epilimnion komt vrijwel alleen deferri-vorm voor, die daar dan aanwezig is als ferrihydroxyde Fe(OH)3.Deze verbinding heeft sterk de neiging door middel van polymerisatie ineencolloÔdale suspensie te komen (het vormt heel kleine deeltjes die inhet water blijven zweven, zoiets als melk). Daarnaast bindt het zichaan organischedeeltjes en vormt zo organische ijzercomplexen. Als dezuurstofconcentratie te laag wordt, beneden de 1,5 mg/l, dan wordt hetijzer gereduceerd en gaat over in de ferro-vorm. Dit zal 's zomersvooral spelen in of vlak bij de bodem. Ferro-verbindingen lossen veelbeter op dan de ferri-verbindingen. Hierdoor zal er bij erg lagezuurstofconcentraties ijzer uit de bodem oplossen. Dit zal voor eendeel gebeuren als ferrofosfaat Fe3(PO4)2. Opdeze manier wordt er fosfaat uit de bodem vrijgemaakt en in het watergebracht.

Fosfaat

Fosfaten zijn verbindingen met het element fosfor(chemischeaanduiding: P). Zij zijn belangrijk voor de groei van planten en werkenals meststof. In een zuurstofrijke omgeving zal het meeste fosfaatworden gebonden als ferrofosfaat en aangezien deze stof zeer slechtoplosbaar is, slaat het neer op de bodem en verdwijnt op deze manieruitde waterkolom. Als in de zomer de zuurstofconcentraties bij en in debodem erg laag worden door het optreden van een spronglaag, dan kan hetfosfaat in het hypolimnion weer vrijkomen in de vorm van ferrifosfaatFePO4.Zodra in de herfst despronglaag verdwijnt en het bodemwater plotseling naar hetzuurstofrijke wateroppervlak komt, dan ontstaat er ineens een rijkevoedingsbodem voor algen. Je ziet dan ook vaak in het najaar nog eenkleine algenbloei optrede, die wordt veroorzaakt door deze plotselingoptredende natuurlijke voedingsbron. Fosfaat kan verder worden gebondenaan organische deeltjes in de vorm van polyfosfaten. Alsorganischedeeltjes kunnen ook organismen als algen en watervlooien optreden. Dezeorganismenscheiden afvalstoffen uit, die rijk zijn aan fosfaten. Dieafvalstoffen worden door bacteriŽn afgebroken, waarbij weer fosfaatvrijkomt. Dit kan dan vervolgens door algen worden opgenomen. Op dezemanier ontstaat een kringloop, waarbij een groot gedeelte van hetfosfaat inde organismen zit. De totale hoeveelheid fosfaat in het water kan danerg grootzijn, terwijl er aan vrij fosfaat in het water zelf weinig aanwezig is.Daarnaast kan in de bodem een grote hoeveelheid fosfaat neergeslagenliggenopgeslagen, die in de loop der jaren als bron van voedingsstoffen kandienen en voortdurens vrijgemaakt kan worden.

Stikstof

Stikstof (chemische aanduiding: N) is naast fosfaatdebelangrijkste voeding voor planten. Aangezien stikstofzouten goedoplossen zijn, ontstaat een heel ander beeld dan de fosfaten te ziengeven.Stikstof vormt als gas bijna 80% van de buitenlucht. Door b.v.bliksem enmenselijke activiteiten ontstaan er stikstofoxiden, die in wateroplossen en daar nitriet (NO2-)en nitraat (NO3-) vormen.Verder komt er door afbraak van organisch materiaal en reductie in debodem ammoniak vrij (NH3).Vooral nitraat is een voedingsstof voor planten. Het kan door bacteriŽnviadenitrificatie weer worden omgezet in gasvormig stikstof.
Voor veel van de omzettingsprocessen van stikstof zijn bacteriŽnverantwoordelijk. Deze kunnen stikstof uit de lucht vastleggen,ammoniak oxideren naar nitriet en weerverder oxideren naarnitraat. Juist door deze natuurlijke bronnen is stikstofbemesting inhet water lastig tegen te gaan.

Andere stoffen

Water bevat naast de hiervoor genoemde stoffen nogvele, veleandere stoffen. Deze komen in het algemeen maar in zeer kleinehoeveelheden voor. Door biologische activiteit zijn dat in het algemeenorganische verbindingen. Daarnaast zijn er ook giftige stoffenaanwezig, zowel organische als niet-organische. In brak-en zeewaterspelen bepaalde zouten een belangrijke rol. De concentratie zouten inzeewater ligt rond de 35.000 mg/l ofwel 35 gram zout per liter, dus 35promille. Dit is hoofdzakelijk keukenzout, ofwel natriumchloride NaCl.Andere belangrijke stoffen zijn calcium, magnesium en kalium voor dekathionen en sulfaat en carbonaat voor de anionen. Het totale gewichtvan de in het water aanwezige stoffen wordt bepaald door het waterte laten verdampen, waarna de overgebleven rest wordt gewogen. Dezedroogrest vindt u bijvoorbeeld als waarde terug op het etiket vanflessen mineraalwater. Als de droogrest bij hoge temperatuur wordtver-ast, dan ontstaat de gloeirest. Hieruit zijn de organische stoffenen het carbonaat verdwenen. Dit geeft een maat voor de aanwezigezouten.