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Gliederung 1 Definition D fi iti Boden B d 2 Bodenentwicklung g 3 Lebensraum Boden • Fauna • Flora 4 Stoffkreislauf 5 Bodeneigenschaften 6 Boden im Unterricht Definition Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht 1 Definition • Unter Boden versteht man die obere, lockere belebte Verwitterungsschicht der lockere, Erdkruste. • Standort für Pflanzen & Basis für vielfältige Nahrungsnetze. Lebensgrundlage für alle Lebewesen der Erde Definition Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht 1 Definition Atmosphäre Hydrosphäre Pedosphäre Lith Lithosphäre hä Biosphäre Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht 2 Bodenentwicklung • Böden entstehen aus Gesteinen durch den Einfluss verschiedener Faktoren: • Ausgangsgestein g g g (G) ( ) Klima (K) Vegetation & Bodenorganismen (O) Oberflächenrelief (R) menschliche Einwirkungen (M) Zeit (Z) Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht 2 Bodenentwicklung B = f (G, K, O, R, M) · Z Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht 2 Bodenentwicklung • Bodenbildende Verwitterungsvorgänge Niederschlag chemische Gelöste Stoffe Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht 2 Bodenentwicklung • Bodenbildende Verwitterungsvorgänge physikalische Wasser Wind Temperatur Niederschlag chemische Gelöste Stoffe D Demonstration t ti 1 Frostsprengung p g g Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht 2 Bodenentwicklung • Bodenbildende Verwitterungsvorgänge physikalische Wasser Wind Temperatur Niederschlag biologische g chemische Pflanzen Gelöste Stoffe D Demonstration t ti 2 Wurzelsprengkraft p g Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht 2 Bodenentwicklung Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht 2 Bodenentwicklung • Bodenzusammensetzung: 25 % Luft 45 % mineralische Substanz 7% organische Substanz 23 % Wasser Definition Bodenentwicklung FaunaFauna- Lebensraum Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht 3 Lebensraum Boden - Fauna Mikroorganismen Mikrofauna Mesofauna MakroFauna Megafauna 1033 1021 1015 180 100 • Fläche von 1 m2 und 30 cm Tiefe Definition Bodenentwicklung FaunaFauna- Lebensraum Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht Tätigkeit der Bodenorganismen • Bodenorganismen bauen organische Ausgangsprodukte zu anorganischen Endprodukten um Mineralisierung = Abbauprozess • Freisetzung g von CO2 V Versuch h1 Bodenatmung g Definition Bodenentwicklung FaunaFauna- Lebensraum Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht Titration H2 O(l) + CO2(aq) " H2 CO3" H+(aq) +HCO3- (aq) H+(aq) + OH- (aq) H2 O(l) HCO3-(aq) + OH- (aq) H2 O(l) + CO32- (aq) 2 (CO2 )= 2n(CO ) n0 (OH- ) - nun (OH- )= ) n(OH (OH- ) Definition Bodenentwicklung FaunaFauna- Lebensraum Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht 3 Lebensraum Boden- Fauna • Bodenorganismen scheiden eine Vielzahl von Enzymen aus Katalase • setzt H2O2 um • Umsatzzahl von 5 ⋅106 Molekülen/min eines d effektivsten der ff k Enzyme überhaupt b h Definition Bodenentwicklung FaunaFauna- Lebensraum Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht 3 Lebensraum Boden- Fauna • Katalase enthält 4 Porphyrin- HämGruppen tetrameres Enzym Versuch 2 Katalasetest Definition Bodenentwicklung FaunaFauna- Lebensraum Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht Katalasewirkung -1 -2 Katalase 0 2 H2 O2(aq) ⎯⎯⎯⎯→ 2H2 O(l) + O2(g) ↑ Katalasewert (mL O2/min) Bodenbeurteilung 0-5 sehr schlecht 6 - 14 schlecht 15 25 befriedigend 26 – 49 gut 50 & höher sehr gut Definition Bodenentwicklung FaunaFauna- Lebensraum Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht Katalase- Enzym Bildung des Eisen(IV)-Porphyrinradikalkations: +3 •+ -1 1 +4 -2 2 Enz(Por- Fe ) +H2 O2 → Enz( Por - Fe=O) +H2 O Rückbildung des Ferriporphyrins: •+ +4 -1 +3 0 -2 Enz( Por - Fe=O) +H2 O2 → Enz(Por- Fe ) + O2 + H2 O Definition Bodenentwicklung FaunaFauna- Lebensraum Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht Mechanismus Red. Form, Ruhezustand H2O2 H2O; O2 2 e- Transfer 2 e- Transfer H2O2 H2O Ox. Form, Ox Form Aktives Enzym Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum Lebensraum--Flora Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht 3 Lebensraum - Flora • Wurzeln der Pflanzen scheiden aktiv Protonen aus • Sie besitzen spezielle Protonenpumpen • Der pH-Wert in unmittelbarer Umgebung der Wurzel ist um 1-2 pH Einheiten niedriger als im restlichen Boden Demonstration 3 Säureabgabe der Wurzeln Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum Lebensraum--Flora Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht Säureabgabe von Wurzeln pH Skala BTB 5,8 6,5 7,6 Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum Lebensraum--Flora Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht Nährstoffaufnahme • Makronährelemente: C, O, H, N, P, S, K, Ca, Mg, Fe • Mikronährelemente: Mn, Zn, Cu, B, Mo, Ni, Cl Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum Lebensraum--Flora Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht Nährstoffaufnahme N Aminosäuren → Proteinen P Nucleinsäuren, Adenosintriphosphat p p (ATP) Mg Zentralatom des Chlorophylls, Chlorophylls aktiviert viele Enzyme Fe Bestandteil der prosthetischen Gruppen verschiedener Enzyme (u.a.Katalase), wichtig für die Chlorophyllsynthese Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht 4 Stickstoffkreislauf • N2-gehalt in der Atmosphäre: 78% nicht nutzbar für die Pflanzen! Stickstofffixierende Bakterien • Im Boden liegt Stickstoff zu 95% in organischer Form vor Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht 4 Stickstoffkreislauf N2 Denitrifikation biologisch technisch Ammonifikation Nitrifikation −3 −3 N H 3 N H 4 + +3 N O2 − +5 N O 3− Auswaschung Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht 4 Stickstoffkreislauf • Haber Bosch: katalytisch, 500 °C, 200 bar 3H2(g) +N2(g) 2NH3(g) + 92 kJ • K Knöllchenbakterien: öll h b kt i enzymatisch, y , Umgebungstemp., g g p , Normaldruck Nitrogenase N2 + 8 e- + 8H+ +16 ATP ⎯⎯⎯⎯⎯ → 2NH3 +H2 +16ADP +Pi V Versuch h3 Nitratnachweis Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht Nitratnachweis +5 +2 N O3-(aq) + 3Fe2+(aq)+ 4 H+(aq) → 3Fe3+(aq) + N O(aq) + 2H2 O ⎡ +2 ⎤ ⎡ +2 ⎤ 2+ N O(aq) + ⎢Fe (H2 O)6 ⎥ → ⎢Fe (H2 O)5 (NO) ⎥ (aq) +H2 O ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ +2 brauner Ring Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht Gesetz des Minimums Justus von Liebig Liebig, 1850 Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht 5 Bodeneigenschaften • Tonminerale bilden sich durch die Verwitterung von Silicatgesteinen • Die Grundbaueinheit der Silikate: Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht Tonminerale • Isomorpher Ersatz des Si4+-Ions durch Al3+ negative Überschussladung • Sie ähneln den Schichtsilicaten ) 4- Tetraedern & • Schichten von ((Si,, Al)O (Al, Mg, Fe)O6-Tetraedern Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht Tonminerale K+ O2- Zwischenschichtkationen Tetraederschicht Si4+/ Al3+ OHAl3+ Oktaederschicht Tetraederschicht V Versuch h4 Filterwirkung il i k von Böden Böd Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht Filterwirkung von Böden Br HO Br O O Br Br COO- N H3C N CH3 S N CH3 CH3 Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht B d Bodeneigenschaften i h ft • Die Bodenmatrix ist negativ geladen • Neben Tonmineralien sind auch Huminstoffe negativ geladen Humusbildung ist ein Aufbauprozess • Anorg. A Partikel P tik l + org. Fragmente F t Ton- Humus- Komplexe Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht Bodeneigenschaften • Boden ist ein Kationenaustauscher Reservoir für Pflanzennährstoffe verhindert die Auswaschung g aus dem Boden bindet jedoch auch Schwermetallkationen Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht Bodeneigenschaften - + - + - + - + - + - + - + - + - + Sternschicht Elektrische Doppelschicht - Kationenaustauschkapazität: + - + + + Diffuse Ionenschicht Tonmineralien: 0,2 – 0,8 mol/kg Org. Substanzen: 1,5 – 5 mol/kg Versuch 5 Ionenaustausch Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht Verdrängungsreaktion Ca2+ Fe3+ Na+ Mg2+ Na+ K+ Al3+ Ca2+ 2+ Ca Fe3+ Ca2+ Fe3+ M 2+ Mg Na+ Na+ K+ Al3+ Ca2+ 2 2+ Ca Fe3+ 2 2+ Ca (aq) + + H3O + +K + C2 O4 22 (aq) Ca2+ Fe3+ Mg2+ Na+ H3O+ K+ Al3+ Ca2+ 2+ Ca Fe3+ K+ K+ 3+ Fe M 2+ Mg Na+ K+ Na+ K+ Al3+ + K+ + Fe3+ K K CaC2 O 4(s) Na+ Ca2+ Ca2+ Ca2+ Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht 7 BodenBoden ein Thema für den Chemieunterricht • Erlernen chemischer Basiskonzepte • Fachübergreifender Aspekte (Biologie, Geographie) • Lebensweltbezug • Sensibilisierung für Umweltbelange Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht L h l b Lehrplanbezug (G8) • 9. Klasse W Wasser als l Reaktionspartner R kti t • Aufbau A fb und d Funktion F kti von Böden Böd • Bodenuntersuchungen: Nachweis von Mineralsalzen Ionenaustauschkapazität
