Bestandteile und Umwelt 1. Was ist Luft? Luft ist unsichtbar. Sie

Universität Regensburg
Institut für Anorganische Chemie – Lehrstuhl Prof. Dr. A. Pfitzner
Demonstrationsversuche im Sommersemester 2008
Betreuung: Dr. M. Andratschke
Referenten: Elisabeth Hofstetter, Martina Lange
04.06.08
LUFT
Bestandteile und Umwelt
1. Was ist Luft?
Luft ist unsichtbar. Sie umgibt uns, und manchmal kann man sie spüren, z. B. in
Form eines Luftzuges oder -widerstandes.
2. Bestandteile [1]
Viele Forscher haben sich in der Vergangenheit mit dieser Frage beschäftigt. G. E.
Stahl kam durch Verbrennungsversuche zu dem Schluss, dass es einen „Feuerstoff“
oder ein „Phlogiston“ in der Luft geben müsse, der bei Verbrennungen entweicht.
J. Priestley und C. W. Scheele nannten die Luft, die beim Erhitzen von Quecksilberoxid entsteht, „dephlogisierte Luft“ bzw. „Feuerluft“, weil ein glimmender Span darin
zum Aufflammen gebracht werden kann. A. L. Lavoisier führte die Versuche fort und
konnte erstmals die bis dahin bekannten Tatsachen richtig ordnen. Er benannte den
Rest, der nach Verbrennungen übrig bleibt, in „Stickstoff“, und die zuvor entdeckte
„Feuerluft“ in „Sauerstoff“ um. Folgender Versuch ist dem von Lavoisier ähnlich:
Experiment zum Nachweis des Sauerstoffes in der Luft: ([2], modifiziert)
- Geräte und Chemikalien: Kristallisierschale, Glasglocke, Stativ, Stativklemmen,
Kerze, Gummistopfen, Wasser, Tinte, 2 Gummiringe
- Versuchsaufbau und Durchführung: Eine Kerze wird mittig in der Kristallisierschale festgeklebt. Die Schale wird mit Wasser gefüllt und das Wasser mit Tinte
angefärbt. Die Glasglocke wird am Stativ befestigt und über die brennende Kerze
gestülpt, so dass sie ins Wasser eintaucht, aber den Boden nicht berührt. Der
Wasserstand wird mit einem Gummiring markiert. Die Glasglocke wird durch einen
Stopfen verschlossen.
- Beobachtung: Die Kerze erlischt nach kurzer Zeit und Wasser wird zu ca. 1/5 in
die Glasglocke hinein gesogen.
- Erklärung: Die brennende Kerze verbraucht Sauerstoff, der nur begrenzt in der
Glasglocke vorhanden ist. Durch den entstehenden Unterdruck wird Wasser in die
Glocke gesogen. Sauerstoff macht 1/5 der Luft aus. Es entstehen aber bei der
Verbrennung auch andere Gase und deshalb wird nicht genau 1/5 Wasser in die
Glocke gesogen.
2.1. Sauerstoff [3]
Sauerstoff, als Molekül O2, kommt als farb-, geruch- und geschmackloses Gas vor.
Es unterhält Verbrennungsvorgänge und die Atmung. Sauerstoff ist in dem uns zugänglichen Bereich der Erde das häufigste aller Elemente. Es ist als Molekül in der
Luft enthalten, und in gebundener Form in Mineralien (Oxide, Sulfate, Carbonate…)
und organischen Verbindungen.
1
2.2. Stickstoff [3]
Die restlichen 4/5 der Luft bestehen hauptsächlich aus Stickstoff (N). Stickstoff, als
Molekül N2, ist ebenfalls ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas. Stickstoff ist
ziemlich reaktionsträge. Er ist Hauptbestandteil der Luft und kommt in allen tierischen
und pflanzlichen Eiweißstoffen vor.
2.3. Weitere Bestandteile
Luft besteht nicht nur aus Stickstoff und Sauerstoff. Die folgende Tabelle zeigt die
Zusammensetzung von reiner, trockener Luft:
Tab. 1 Zusammensetzung von reiner, trockener Luft [3]
Anschaulich dargestellt als Diagramme:
CO2
Ne
He
CH4
Kr
N2O
H2
CO
Xe
O3
NH3
NO2
SO2
H2S
N2
O2
Ar
Rest
Abb. 1 Diagramme der Zusammensetzung von reiner, trockener Luft
Neben den Edelgasen ist Kohlenstoffdioxid, CO2, ein natürlicher Bestandteil der Luft.
2
Experiment zum Nachweis von Kohlenstoffdioxid in der Luft: ([2, 4] (modifiziert))
- Geräte und Chemikalien: großes Reagenzglas, Strohhalm, Ba(OH)2 (Bariumhydroxid)
- Durchführung: Schutzbrille! Mit dem Strohhalm wird Ausatemluft in das Ba(OH)2Wasser geblasen.
- Beobachtung: In der vorher farblosen Lösung entsteht ein weißer, trüber Niederschlag.
- Erklärung: Das CO2 reagiert mit dem Ba(OH)2 zum schwerlöslichen BaCO3
(Bariumcarbonat).
Ba(OH)2 + CO2 → BaCO3 ↓ + H2O
CO2 ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, das die Verbrennung nicht unterhält. Es entsteht bei der Verbrennung und der Atmung und ist wichtig für die Fotosynthese der Pflanzen.
3. Umweltproblematik der Luftverschmutzung
Luftverschmutzung oder Luftverunreinigung bezeichnet eine Veränderung der natürlichen Zusammensetzung der Luft, insbesondere durch Rauch, Ruß, Staub, Gase,
Aerosole, Dämpfe und Geruchsstoffe. Diese Stoffe nennt man auch luftfremde Stoffe. [5]
Sie werden durch die moderne Zivilisation, aber auch durch natürliche Vorgänge, wie
biologische Abbauprozesse und Vulkanausbrüche, in die Atmosphäre gebracht.
3.1. Treibhauseffekt [3, 5, 6]
Der Treibhauseffekt bezeichnet die Erwärmung der Atmosphäre durch Treibhausgase, wie Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Methan.
Ohne Treibhausgase würde die gesamte Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung) der Erde in das Weltall abgegeben werden und die Durchschnittstemperatur der unteren
Atmosphäre betrüge nur -18 °C. Die Treibhausgase absorbieren die Wärmestrahlung
und verhindern dadurch das Entweichen der Wärme. Dies führt zu einer mittleren
Temperatur von +15 °C und ermöglicht so Leben.
Je mehr solcher Treibhausgase nun aber in die Atmosphäre freigesetzt werden, desto mehr Wärme wird in ihr zurückgehalten. Dies führt zunehmend zum Problem der
globalen Erwärmung.
3.2. Ozon
„Ozon ist in der Stratosphäre“ (in ca. 30 km Höhe) „ein wichtiger und erwünschter
Stoff, weil es als Filter für die UV-Strahlung der Sonne dient.“ [3]
In der Troposphäre ist Ozon dagegen ein Schadstoff, der sich störend auf die Fotosynthese auswirkt und ein Reizgas für die Atemwege ist.
Stickstoffdioxid (NO2), das u. a. durch den Autoverkehr entsteht, zerfällt im Sonnenlicht zu Sauerstoffradikalen. Diese reagieren mit Luft-Sauerstoff zu Ozon. [3]
NO2 → NO + O
O + O2 → O3
Die erdnahe Ozonbelastung wird auch als „Photosmog“ oder „Sommersmog“ bezeichnet. [7]
3
3.3. Saurer Regen
Experiment zum Nachweis der schädigenden Wirkung von Saurem Regen
([2], modifiziert)
- Geräte und Chemikalien: Großes Becherglas, Wasser, Lackmus, großes Uhrglas,
Verbrennungslöffel, Schwefel, Bunsenbrenner, Rose, Ethanol
- Durchführung: Schutzbrille! Das Becherglas mit etwas Wasser füllen und mit
Lackmus versetzen. Schwefel in den Verbrennungslöffel füllen, über dem Bunsenbrenner verbrennen, bis der Schwefel blau glüht. Den brennenden Schwefel in das
Becherglas über das lila gefärbte Wasser halten und mit dem Uhrglas bedecken,
so dass das entstehende Gas nicht entweichen kann. Becherglas schwenken, bis
sich die Lösung rot färbt.
Eine Rose in Ethanol tauchen (zum Entfetten) und in das Becherglas halten, weiterhin mit dem Uhrglas bedeckt lassen.
- Beobachtung: Durch das Schwenken schlägt der Lackmusindikator ins Saure um
(rot). Die Rose entfärbt sich.
- Erklärung: Durch die Verbrennung des Schwefels entsteht das Gas Schwefeldioxid
(SO2), das mit Wasser zur schwefligen Säure (H2SO3) reagiert:
S + O2 → SO2
SO2 + H2O → H2SO3, die den Indikatorumschlag bewirkt.
Mittels Katalysatoren oder allmählich durch Luftsauerstoff bildet sich Schwefelsäure
(H2SO4), d. h.: SO2 + H2O + ½ O2 → H2SO4. „Diese Säuren sind Bestandteile des
„sauren Regens“ und des sauren Smogs“ [3] („London-Smog“, „Wintersmog“).
SO2 ist in ein Bestandteil der Luft (s. Tab. 1), der durch natürliche Vorgänge, wie
z. B. Oxidationsprozesse in Sümpfen und Ozeanen in die Luft gelangt, aber hauptsächlich bei der Verbrennung von Kohle und Erdölderivaten (Verkehrsabgase) entsteht. Schwefeldioxid ist ein Atemgift und schädigt die Vegetation (s. Versuch oben:
Entfärbung der Rose durch die Zerstörung des Blütenfarbstoffes). „Schweflige Säure
und Schwefelsäure greifen“ auch „Pflanzen an, führen zur Versauerung von Gewässern, korrodieren Metalle und erodieren Marmor und Kalk.“ [3]
Sauer Regen führt zu erheblichen Schäden an der Vegetation, z. B. in Form des
„Waldsterbens“, aber auch an Gebäuden, wie z. B. der mittelalterlichen Burgfassade,
die in Abb. 3 zu sehen ist:
Abb. 2 Gebäudeschäden durch sauren Regen [8]
4
An dieser Außenmauer hat er innerhalb von nur wenigen Jahrzehnten die plastischen Strukturen der Sandsteinskulpturen förmlich weggewaschen. [8]
3.4. Feinstaub [9]
Als Feinstaub bezeichnet man den einatembaren Anteil der Immissionen mit einer
Größe bis zu 15 µm. Dazu zählen beispielsweise Pollen, Saharastaub und anthropogen verursachter Staub, hauptsächlich aus Industrie und Verkehr.
Schädlich für die Gesundheit ist der Feinstaub, weil er von den Flimmerhärchen im
Nasen-Rachenraum nicht aus der Luft gefiltert werden kann. So gelangt er bis in die
Lunge, wo er nur langsam oder gar nicht mehr entfernt werden kann.
Lehrplanbezug: [10]
-
5. Klasse, Natur und Technik, Themenbereich Luft (Luft als Gemisch, Feuer,
Schadstoffe)
8. Klasse, Chemie, Themenbereich Stoffe und Reaktionen (Luft als Stoffgemisch, Sauerstoff als Reinstoff, Verbrennungsreaktionen)
Literatur:
[1] H. R. Christen: Einführung in die Chemie, Neubearbeitung, Verlag Moritz Diesterweg
Otte Salle Verlag, Verlag Sauerländer, Frankfurt am Main, 1977, S. 32-33.
[2] H. Keune, H. Boeck, J. Elsner, H. Fickel, R. Kuhnert, V. Mirschel: Chemische Schulexperimente, Band 3, Anorganische Chemie, Verlag Harri Deutsch Thun, Frankfurt / Main,
1978, S. 73-74, 119, 220-221, 285-286, 301.
[3] Ch. E. Mortimer: Chemie. Das Basiswissen der Chemie, Georg Thieme-Verlag,
Stuttgart, 2003, S. 404-409, S. 422-426, S. 435-438.
[4] J. Strähle, E. Schweda: Jander-Basius: Lehrbuch der analytischen und präparativen
anorganischen Chemie, 16. überarbeitete Auflage, S. Hirzel-Verlag Stuttgart, 2006,
S. 344.
[5] http://de.wikipedia.org/wiki/Luftverschmutzung (Stand: 02.06.2008)
[6] http://de.wikipedia.org/wiki/Treibhausgas (Stand: 02.06.2008)
[7] http://de.wikipedia.org/wiki/Sommersmog (Stand: 23.09.2008)
[8] http://de.encarta.msn.com/media_461543504/Gebäudeschäden_durch_sauren_
Regen.html (Stand: 02.06.2008)
[9] http://de.wikipedia.org/wiki/Feinstaub (Stand: 02.06.2008)
[10] http://www.isb.bayern.de/isb/index.asp?MNav=0&QNav=4&TNav=0&INav=0&Fach
=&LpSta=6& STyp=14 (Stand: 25.06.2008)
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