Protokoll ()

Hinweis:
Dieses Protokoll stammt von der Seite www.chids.de (Chemie in der Schule).
Dort können unterschiedliche Materialien für den Schulunterricht heruntergeladen werden,
unter anderem hunderte von Experimentalvorträgen so wie der vorliegende:
http://online-media.uni-marburg.de/chemie/chids/veranstaltungen/uebungen_experimentalvortrag.html
Philipps-Universität Marburg
Fachbereich Chemie
Seminar: Übungen im Experimentalvortrag, WS 2005/06
Leitung: Prof. Dr. B. Neumüller, Dr. P. Reiß,
Prof. Dr. M. Bröring, Prof. Dr. Koert
Thema:
BODEN
Experimentalvortrag in Anorganik
Anke Schleipen,
Inhaltsverzeichnis
0. Einleitung
Seite 2
1. Definition Boden
Seite 2
2. Entstehung und Gliederung des Bodens
Seite 2
 Demo 1: Filterwirkung von Böden
2.1 Tonmineralien
Seite 6
Seite 8
 Versuch 1: Gartenerde als Ionenaustauscher
Seite 11
 Versuch 2: Quantitative und qualitative Kalkbestimmung
Seite 15
3. Stoffkreisläufe
Seite 18
3.1 Kohlenstoffkreislauf
Seite 18
3.2 Schwefelkreislauf
Seite 19
3.3 Phosphorkreislauf
Seite 19
3.4 Stickstoffkreislauf
Seite 20
 Versuch 3: Nitratnachweis im Boden mittels Ringprobe
4. Lebensraum Boden
4.1 Flora
 Versuch 4: Eisennachweis im Boden und in der Pflanze
4.2 Fauna
 Demo 2: Bodenenzymtest
5. Bodenbelastung
5.1 Saurer Regen
 Versuch 5: Nachweis von Aluminium-Ionen
5.2 Persistenz von Schadstoffen im Boden
Seite 21
Seite 22
Seite 22
Seite 23
Seite 25
Seite 26
Seite 28
Seite 28
Seite 29
Seite 30
6. Schulrelevanz
Seite 31
7. Literaturangabe
Seite 33
1
0. Einleitung
Mit dem Thema Boden assoziieren die meisten Menschen Dreck, Matsch, Ungeziefer. Dass
aber Boden – die Lebensgrundlage aller Lebewesen – mehr ist als nur die augenscheinliche
Masse an Erde, Geröll oder Sand, möchte ich in dieser Ausarbeitung darlegen.
1. Definition Boden
Der Boden (von althochdt.: bodam) ist die durch Verwitterung entstandene Grenze zwischen
der Atmosphäre und der Lithosphäre (Gesteinsschicht). Dieser Bereich (die Pedosphäre) ist
von Wasser, Luft und Lebewesen durchsetzt.
Atmosphäre
Biosphäre
Pedosphäre
Hydrosphäre
Lithosphäre
Abb. 1: Boden (eigener Entwurf + nach Prof. Blume)
2. Entstehung und Gliederung des Bodens
Beim Boden muss man zunächst zwischen den Hauptbestandteilen des Bodens und deren
Entstehung differenzieren. Man entscheidet zwischen den mineralischen Substanzen (z.B die
Tonmineralien) und den organischen Substanzen (z.B. Humus). Diese entstehen entweder
durch physikalische oder chemische Verwitterung.
Bei jedem Verwitterungsprozess dient das anstehende, zutage liegende Gestein als
Ausgangsmaterial.
2
Physikalische Verwitterung
- Frostverwitterung:
Wasser kann durch kleine Risse in das Gestein
eindringen. Bei sinkenden Temperaturen gefriert das
Wasser zu Eis. Eis hat ein größeres Volumen als Wasser
und presst somit das Gestein auseinander.
- Temperaturverwitterung:
Auch durch extreme Temperaturunterschiede, die z.B. in
der Wüste zwischen Tag und Nacht herrschen, kann es
zu Verwitterungs- bzw. Gesteinszerkleinerungsprozessen
kommen. Durch die starken Temperaturunterschiede
kann es in dem meist inhomogenen Gestein zu
Spannungen kommen, die zu Spaltenbildungen oder
Absprengungen von kleineren Teilen führen können.
- Salzverwitterung:
Mit Salz angereichertes Regenwasser dringt durch kleine
Risse in das Gestein ein. Durch Dehydratation und
anschließender Auskristallisierung vergrößert sich das
Volumen und das Gestein wird – wie bei der
Frostverwitterung – aufgesprengt.
- Biologische Verwitterung: „Löwenzahneffekt“ (siehe Kindersendung)
Pflanzenwurzeln, die in Risse hineingewachsen sind,
können durch weiteres Dickenwachstum der Wurzeln
Gesteinsschichten aufsprengen.
Chemische Verwitterung:
- Lösungsverwitterung:
Durch Einlagerung von Wasser in Salz- und Carbonatgesteine können deren Bestandteile entweder in Lösung
gehen (ausgewaschen werden) oder Kristallwasser
aufnehmen (z.B. Umwandlung vom Anhydrit zum Gips).
Dadurch kann es oft zur Hohlraumbildung kommen, die
durch weitere Verwitterungsfaktoren einstürzen können.
3
- Kohlensäureverwitterung: Die Kohlensäureverwitterung ist eine Sonderform der
Lösungsverwitterung. In „kohlensäurehaltigem“ Wasser
können Carbonatgesteine vollständig aufgelöst werden.
- Oxidationsverwitterung:
Eisen-, Schwefel- und Mangan haltige Gesteine können
durch den Luftsauerstoff in Verbindung mit Wasser
oxidiert werden.
Dabei
kann
man
diese
Reaktionen
durch
Farbveränderungen erkennen. Beispielsweise ist die
Bildung von Hämatit und Goethit zu nennen.
Wie bereits skizziert laufen unter dem Einfluss und durch das Zusammenwirken der
Bodenbildungsfaktoren
Muttergestein,
Klima,
Lebewesen
(Flora,
Fauna,
Mensch,
Mikroorganismen) an der Erdoberfläche komplexe Prozesse ab, welche schließlich zur
Bodenbildung führen.
Trotz ihrer Komplexität lässt sich die Pedogenese (Bodenbildung) auf vier grundlegende
Bodenbildungsprozesse zurückführen:
-
Verwitterung
-
Humusbildung
-
Verlagerung
-
Gefügebildung
Da für einen Experimentalvortrag in Anorganik von der Thematik nur die Verwitterung
relevant ist, werden die drei weiteren Bodenbildungsprozesse nur anhand der unten
dargestellten Abbildung veranschaulicht, um so zur Vollständigkeit der Pedogenese
beizutragen.
Abb. 2: Verwitterungsprozess (Quelle: Internet www.gidw-os.nibis.de/Bodenweb/horizont/hori1.htm)
4
Wie auch in der obenstehenden Grafik zu entnehmen ist, ist der Verwitterungsprozess der
Ausgangspunkt für eine weitere Differenzierung des Bodens.
Wenn die Pedogenese vollständig abgeschlossen ist, kann man beim Boden eine
Schichtenabfolge beobachten. Diese Schichten, die die Folge von unterschiedlich tief
wirksamen Bodenbildungvorgängen sind, werden Horizonte genannt. Diese Horizonte sind
mehr oder weniger oberflächenparallel und gliedern die Böden.
Die unterschiedliche Art und Abfolge der Horizonte wird zur Unterscheidung von
verschiedenen Bodentypen herangezogen. Der Übergang von einem Horizont zum nächsten
kann extrem scharf (Millimeterbereich) bis vollkommen fließend sein.
Der zweidimensionale senkrechte Schnitt durch einen Boden, der die Abfolge der Horizonte
in flächenhafter Ansicht zeigt, wird als Bodenprofil bezeichnet.
Die wichtigsten Horizonte sind folgende:
- L-Horizont:
Streuauflage,
Organischer Horizont an der Bodenoberfläche von nicht oder
wenig
zersetzter
Pflanzensubstanz
mit
weniger
als
Mineralboden
aus
10 % Feinsubstanz
- O-Horizont:
Organischer
Horizont
über
dem
Humusansammlung
- A-Horizont:
Mineralischer
Oberbodenhorizont
mit
einigen
Anteilen
organischer Substanz; wenige Tonmineralien
- B-Horizont:
Mineralischer
Unterbodenhorizont.
Weniger
Anteil
an
organischer Substanz; meist reich an Tonmineralien
- C-Horizont:
Ausgangsgestein, aus dem der Boden entstanden ist
Man erkennt, dass das Regenwasser eine Vielzahl von Schichten passieren muss. Dadurch,
dass jede Schicht eine unterschiedliche Struktur aufweist, kommt es zu einer Filterung und
teilweise auch zu einem Mineralienaustausch. Denn nicht umsonst hört man oft den
Werbeslogan in der Werbung: „Ein reines Wasser muss durch einen tiefen Stein!“
5
Demo 1: Filterwirkung von Böden
Geräte:
1,5 L-PET-Flasche, Dreifuß, 2 1L-Bechergläser, Glasstab, diverses
Stativmaterial
Chemikalien:
Sand, Split, Kieselsteine (verschiedene Größen), fein gesiebte Erde,
Moos, Regenwasser
Durchführung:
Von der PET-Flasche wird der Flaschenhals abgeschnitten. Am
Flaschenboden werden kleine Löcher (ca. 1,5 cm) Durchmesser
geschnitten.
Anschließend
wird
nach
folgendem
Schema
eine
Art
Bodenprofil in der Flasche geschichtet. Die Schichtungsabfolge
wird von unterster zu oberster Schicht genannt:
-
große Kieselsteine
-
mittlere Kieselsteine
-
kleine Kieselsteine und Split
-
Split mit Erde
-
Erde mit Sand
-
Moos
Zudem gibt man aus jeder Schichtkomponente etwas in ein Becherglas
Und stellt damit mit Regenwasser „Matschwasser“ her.
Um die Filterwirkung des Bodens zu demonstrieren, schüttet man das
„Matschwasser“ auf das gewässerte Bodenmodell. Das gefilterte
Wasser wird in einem weiteren Becherglas aufgefangen.
Beobachtung:
Das gefilterte Wasser ist viel klarer.
 natürliche Filterwirkung des Bodens
6
Aufgrund der Hoizontenabfolge kann man eine gewisse Bodensystematik festlegen. Böden
mit gleicher oder ähnlicher Horizontabfolge zählt man zu den Bodenklassen. Zu den
Bodentypen werden Böden mit charakteristischer Horizontabfolge und spezifische
Eigenschaften der einzelnen Horizonte gezählt.
In Deutschland sind besonders drei Typen wichtig:
- Bleicherde:
auch Podsol-Böden genannt.
Die ausgelaugten Heideböden weisen eine ausgesprochene saure
Bodenlösung mit wenigen, nicht quellfähigen Tonmineralien
auf. Da die meisten Mineralien ausgewaschen werden, ist auch
Flora nur in begrenztem Maße ansiedlungsfähig.
- Braunerden:
Zu den Braunerden zählen die meist neutral bis schwach sauren
Waldböden. Sie enthalten den braunen Humus und quellfähige
Tonmineralien. Diese – wird später noch einmal detailierter
erläutert – binden bevorzugt Mineralien, die leicht ausgetauscht
werden können, und stellen diese der Pflanze zur Verfügung.
- Schwarzerdeböden: Dieser Bodentyp ist im Osten Deutschlands anzutreffen. Ieser
Bodentyp ist sehr stark humös, wodurch auch seine braune
Farbe hervorkommt.
Das Ideal der Schwarzerdeböden – quellfähige Tonmineralien,
stark humös – wird in künstlich hergestellter Düngergartenerde
nachgeeifert.
7
2.1. Tonmineralien
Wie bereits erwähnt, kommen den Tonmineralien eine besondere Funktion im Boden zu.
Tonmineralien gehören zu den sekundären, pedogenen Mineralien; d.h. sie sind erst währen
der Pedogenese entstanden. Diese Mineralien findet man vor allem in der Schluff- und in der
Tonfraktion.
Sie sind für den Boden von großer Bedeutung, da sie quellfähig sind und dadurch dem Boden
eine hohe Plastizität verleihen. Desweiteren kann durch ihre Ionenaustauscherfunktion (s.u.)
dem Boden die notwedigen Mineralien und Ionen zugeführt werden, was besonders für die
Fruchtbarkeit von Böden wichtig ist.
Zu den sekundären Mineralien zählen neben den Tonmineralien auch die Hydroxide und
Oxidhydroxide von Eisen und Aluminium.
Tonmineralien sind OH-haltige, plättchenförmige Aluminiumsilikate, deren Einzelpartikel
fast immer kleiner als 2 m sind.
Schichten von (Si,Al)O4-Tetraedern
sind über gemeinsame Sauerstoffatome mit (Al,Mg,Fe)O6-Oktaederschichten
zu
Schichtpaketen
verknüpft.
Je nach Schichtabfolge unterscheidet
man zwischen 2-Schicht-, 3-Schichtund 4-Schicht-Mineralien.
Die einzelnen Schichtpakete werden
im Kristall können entweder über
Van-der-Waals-Kräfte (z.B. bei Talk,
Pyrophyllit),
Wasserstoffbrücken
(z.B. bei Kaolinit, Halloysit) oder
durch Zwischenschichtionen – in der
Regel
Alkali-
und
Erdalkalimetallionen – zusammn
Abb. 3: Tonmineralien
(Quelle: Lehrbuch der Bodenkunde)
Engehalten
werden
(z.B.
Illit,
Vermiculit).
8
Die Oberfläche der meisten Tonmineralien ist aufgrund des isomorphen Austauschens
ungleich geladener Zentralkationene (z.B. Al3+ gegen Si4+) mit einer negativen
Überschussladung
versehen,
welche
den
Tonmineralien
eine
Eigenschaft
eines
Ionenaustauschers verleihen.
Bei einzelnen Vertretern ist nur die äußere Oberfläche zugänglich (Illit, Kaolinit), während
andere durch innerkristalline Wassereinlagerung aufweitbar und damit auch auf den
Innenflächen ionenzugänglich sind (Montmorillonit, Vermiculit).
Bei einigen Tonmineralien kommt es auch zu Austauschanomalien bei bestimmten Kationen.
Manche Austauscher zeigen Austauscheigenschaften, die von den ansonsten bekannten
Prinzipien abweichen. Dies wurde besonders bei Glimmern und Vermiculiten festgestellt. Die
Abweichungen beruhen auf spezifische Wechselwirkungen zwischen den Kationen und den
Tonmineralien. Diese Wechselwirkungen sind einerseits bedingt durch Eigenschaften der
Tonminerale, vor allem an inneren Oberflächen (z.B. Kontraktion der Schichten bei hoher
Schichtladung) und andererseits in gewissen Eigenschaften mancher Kationen (z.B.
Ionendurchmesser, Hydratationsenergie und Polarisierbarkeit).
In den weiteren Ausführungen zu den Austausch-Anomalien werde ich mich zu denen der
Kalium-Ionen beschränken, da hierzu noch ein Versuch folgt.
Die Austauschanomalie von Kalium-Ionene beruht auf dem Ionendurchmesser im nicht
hydratisierten Durchmesser (2,66 Angström) und der hohen Polarisierbarkeit.
Wenn Tonmineralien eine hohe Schichtladung (z.B. Illite, Vermiculite) besitzen, so können
die in die Zwischenschichten eintretenden Kalium-Ionen auch bei Wasserüberschuss unter
Verlust ihrer Hydrathülle in die napfartigen Vertiefungen zwischen den Tetraederlücken
gezogen werden, so dass sich die Schichten kontrahieren und die Kalium-Ionen aufgrund
gehemmter Diffusion in einen schwer austauschbaren Zustand übergehen (Kalium-Fixierung).
Bei einem möglichen Ionenaustausch werden daher die Calcium-Ionen gegen die KaliumIonen ausgetauscht.
9
Tetraederschicht mit isomorphem Ersatz
Oktaederschicht
Tetraederschicht mit isomorphem Ersatz
Wasser
Austauschbares Kation
K+
Abb. 4: Austauschanomalie (eigener Entwurf)
10
Versuch 1: Gartenerde als Ionenaustauscher
Geräte:
Chemikalien:
Durchführung:
- mittelgroßer Trichter
-
Filterpapier
-
2 Reagenzgläser
-
2 Bechergläser
-
Magnetrührer
-
Rührfisch
-
Tropfpipette
-
Kaliumchlorid-Lösung (w = 5 %)
-
Ammoniumoxalat-Lösung (w = 3 %)
-
Destilliertes Wasser
- 30 g luftgetrocknete Erde werden in einem Becherglas mit 50 mL
dest. Wasser aufgeschlämmt und ca. 2 Minuten gerührt
- abfiltrieren bis klar
- einige mL des Filtrats werden in ein RG gegeben
- Überprüfung mithilfe der Ammoniumoxalat-Lösung auf Ca2+-Ionen
- die Gartenerde wird mit 50 mL der KCl-Lösung verrührt
- wieder abfiltrieren
- Überprüfung des Filtrats auf Ca2+-Ionen
Beobachtung:
Bei der ersten Überprüfung des Filtrats ist kein weißer Niederschlag
erkennbar. Der Nachweis auf Ca2+-Ionen ist negativ.
Bei der zweiten Überprüfung ist die Bildung eines weißen
Niederschlags von Calciumoxalat sehr gut zu beobachten. Der
Nachweis auf Ca2+-Ionen ist positiv.
Deutung:
2 K+(aq) + C2O42-(aq) 
Die Ca2+-Ionen werden vom Boden gegen K+-Ionen ausgetauscht.
Ca2+(aq) + C2O42-(aq)  CaC2O4 (s)
11
Ionenaustauscher
Ionenaustauscher ist die Sammelbezeichnung für anorganische oder
organische, meist in Körnerform vorliegende Feststoffe, die aus
Elektrolytlösungen positive oder negative Ionen aufnehmen und dafür
eine gleichwertige Menge Ionen gleichen Vorzeichens abgeben.
Die Ionenaustauscher bestehen vorwiegend aus einem hochmolekularen
dreidimensionalen wasserunlöslichen Gerüst (z.B. einem Kunstharz),
das zahlreiche sogenannte Ankergruppen (z.B. –SO3- oder -NH3+)
enthält. An diesen Ankergruppen sind „Gegenionen“ locker gebunden
(z.B. –SO3-H3O+ oder –NH3+*OH-). Diese Ionen können leicht gegen
andere gleichsinnig geladene Ionen getauscht werden.
Erfolgt ein Austausch von Kationen (z.B. Hydroniumionen H3O+ gegen
Natriumionen oder Calciumionen), so handelt es sich um einen
Kationenaustauscher,
werden
Anionen
ausgetauscht
(z.B.
Hydroxidionen OH- gegen Chloridionen oder Sulfationen), so wird von
einem Anionenaustauscher gesprochen.
Ionenaustauscher werden u.a. zur Enthärtung von Wasser und zur
Reinigung von Lösungen verwendet.
Der hier verwendeten Kunstharz-Ionenaustauscher kann in Form
kleiner harter Körnchen gekauft werden. Um ihn als Ionenaustauscher
zu verwenden, muss das Kunstharz erst in Wasser aufquellen. Wenn die
Wassermoleküle in das Harzgerüst eindringen, werden die polaren
Gruppen ionisiert.
Da zwischen den Fest- und den Gegenionen eine elektrostatische
Anziehung besteht, können sich die Gegenionen nicht entfernen, aber
durch eine entsprechende Anzahl anderer Ionen gleicher Ladung
ausgetauscht werden.
Je nach der funktionell austauschaktiven Gruppe kann zwischen
schwach und stark basisch, sowie schwach und stark sauer
unterschieden werden:
12
Art des Ionenaustauschers
Funktionelle, austauschaktive Gruppe
Kationenaustauscher
schwach sauer
stark sauer
- OH
Hydroxy-Gruppe
- COOH
Carboxy-Gruppe
- SO3H
Sulfonsäure
- PO(OH)2
Phosphonsäure
Anionenaustauscher
schwach basisch
stark basisch
- NH2
Amino-Gruppe (primär)
- NH
Amino-Gruppe (sekundär)
-N
Amino-Gruppe (tertiär)
- N(CH3)3
Amin (quartenär)
Der Ionenaustausch basiert auf der elektrostatischen Anziehungskraft
(Coulomb-Kraft).
Die Ionen mit der höheren Anziehungskraft verdrängen die Ionen mit
der geringeren Anziehungskraft.
Beispielsweise werden Calcium-Ionen (Ca2+) von Aluminiumionen
(Al3+) aufgrund ihrer höheren Ladungszahl verdrängt. Aufgrund der
höheren Ladung können Calcium-Ionen wiederum H3O+-Ionen und
Natrium-Ionen (Na+) verdrängen.
Das gleiche Prinzip gilt auch bei den Anionenaustauschern.
Haben die Ionen, die an einem Ionenaustausch beteiligt sind, die gleiche
Ladung, so ist die Molekularmasse des Ions ausschlaggebend. Das Ion
mit der geringeren Masse wird von dem Ion mit der höheren
Molekularmasse verdrängt. Daher können Kalium-Ionen (M = 39,0983
g/mol) Natrium-Ionen (M = 23 g/mol) vom Ionenaustauscher
verdrängen.
Das gleiche Prinzip gilt wiederum auch bei den Anionenaustauschern.
Selektivität
ist
die
Rangfolge
der
Verdrängungsvorgänge.
Beispielsweise wären Kaliumionen selektivere Ionen als NatriumIonen. Wenn selektivere Ionen weniger selektive Ionen verdrängen,
13
wird die Beladung genannt. Regeneration nennt man den Vorgang,
wenn selektive Ionen durch sehr viele weniger selektive Ionen
verdrängt werden. Diese beiden Vorgänge liegen – je nach Selektivität
des Ionenaustauschers- im Gleichgewicht.
Anwendung von Ionenaustauschern:
-
Medikamente
-
Herstellung von entionisiertem Wasser
- Wasserenthärtung
Bei der Wasserenthärtung werden Ca2+- und Mg2+-Ionen entfernt, da
diese durch beispielsweise Kalkseifenbildung erheblichen Schaden
anrichten können und die Waschleistung mindern.
Diese Kationen werden mittels eines neutralen Kationenaustauschers
mit Natrium-Ionen entfernt. Dort werden die Calcium- und MagnesiumIonen gegen die Natrium-Ionen ausgetauscht.
Wasserenthärter sind in der Spülmaschine und im Waschmittel
enthalten.
Nicht nur die Tonmineralien sind von großer Bedeutung für einen fruchtbaren Boden, sondern
auch der Carbonatgehalt. Er ist nicht nur für einen konstanten Boden-pH-Wert zuständig
(Puffersystem), sondern dient auch als Kohlenstoffquelle für die Pflanzen.
Daher ist es auch für einen Bauern sehr wichtig, wie hoch der Carbonatgehalt in seinem
Ackerboden ist. Bei einem optimalen Carbonatgehalt – je nach Kulturpflanze zwischen
1 und 3 % - wachsen die Pflanzen sehr gut und der Boden wird nicht durch Übersäuerung
ausgelaugt.
Mit der Tabelle kann der Bauer sehen, inwieweit der Boden kalkbedürftig ist.
sehr
kalkreich
kalkreich
schwach
genügend
mäßig
kaum
Kalk
Kalk
Kalk
etwas Kalkzusatz
Häufiger
häufiger
kalken
kalken
0,5 – 0,25 %
 0,25 %
bedürftig
3%
3,0 – 1,5 %
1,5 – 0,5 %
14
Den Kalkgehalt kann man auch in der Schule sehr einfach bestimmen:
Versuch 2: Quantitative und qualitative Kalkgehaltsbestimmung
Geräte:
Gärröhrchen
mit
Pipettenhütchen,
durchbohrten
Bürette,
Stopfen,
Reagenzglas,
Bürettenklammer,
Pipetten,
Magnetrührer
mit
Rührfisch, Erlenmeyerkolben, Glastrichter, Faltenfilter
Chemikalien:
getrockneter
Boden,
Salzsäure
(c(HCl)=1 mol/L),
Natronlauge
(c(NaOH)=1 mol/L), Calciumhydroxid-Lösung, Phenolphthalein
Durchführung:
Vor Versuchsbeginn werden ca. 5 – 10 g Boden bei 100°C im
Trockenschrank getrocknet.
Qualitative Kalkbestimmung:
In ein Reagenzglas wird fein zermörserte, trockene Bodenprobe
gegeben. Anschließend gibt man einige Tropfen Salzsäure hinzu und
verschließt sofort das Reagenzglas mit dem mit CalciumhydroxidLösung gefüllten Gärröhrchen.
Quantitative Kalkbestimmung:
3 – 5 g des getrockneten Bodens werden mit einem bestimmten
Volumen 1molarer Salzsäure versetzt. Dabei reagiert die Salzsäure mit
dem
Calciumcarbonat.
Während
der
gesamten
Reaktion,
die
ca. 15 Minuten dauert, sollte die Suspension durchgerührt werden.
Anschließend wird abfiltriert und das Filtrat – nach Zugabe von dem
Indikator Phenolphthalein - mit 1 molarer Natronlauge rücktitriert.
Die Titration ist beendet, wenn ein Farbumschlag erkennbar ist.
15
Abb. 5: Titrierung (eigener Entwurf)
Die Berechnung des Kalkgehaltes erfolgt mit folgenden Formeln:
Berechnung der Stoffmenge CaCO3:
n(CO32-) = c(HCl)  (V(HCl)eingesetzt – V(NaOH)verbraucht)
Berechnung der Masse CaCO3:
m(CaCO3) = n(CaCO3)  M(CaCO3)
Berechnung des Massenanteils:
w(CaCO3) = m(CaCO3) / m(Einwaage Bodenprobe)
Beobachtung:
Qualitative Kalkbestimmung:
Nach der Säurezugabe kommt es zu einer regen Gasentwicklung, die
sowohl
im
Reagenzglas
als
auch
durch
Aufblubbern
der
Bariumhydroxid-Lösung im Gärröhrchen zu erkennen ist.
Die vormals klare Bariumhydroxid-Lösung trübt sich beim Durchleiten
des Gases.
Quantitative Kalkbestimmung:
Am Neutralpunkt ist die Lösung leicht violett.
Auswertung:
Durch Ansäuern:
CO32-(aq) + H3O+(aq)  CO2 (g) + H2O
16
Durch das
Kohlensäure,
Ansäuern von Carbonat-Ionen bildet sich formal
die
aber sehr
instabil
ist
–
auch
Hydroxid-Ionen
der
und somit
entropiegetrieben – in Wasser und Kohlendioxid zerfällt.
CO2 (g) + Ca(OH)2 (aq)  CaCO3 (s) + H2O
weiße
Trübung
Das
Kohlendioxid
reagiert
mit
den
Calciumhydroxid-Lösung zu Carbonat-Ionen. Mit den Calcium-Ionen
reagiert es weiter zu Calciumcarbonat, was für die weißliche Trübung
im Gärröhrchen verantwortlich ist.
Quantitative Kalkbestimmung:
Einwaage: 5 g
V(HCl)eingesetzt: 20 mL
V(NaOH)verbraucht: 18,9 mL
n(CaCO3) = c(HCl)  (V(HCl) – V(NaOH))
n(CaCO3) = 0,001 mol
m(CaCO3) = n(CaCO3)  M(CaCO3)
m(CaCO3) = 0,11 g
w(CaCO3) = m(CaCO3) / m(Einwaage)
w(CaCO3) = 0,022
 2,2 %
Der Kalkgehalt vom untersuchten Ackerboden liegt bei 2,2 % und liegt
somit im optimalen Bereich.
17
3. Stoffkreisläufe
Im Gegensatz zur Energie, die im Ökosystem zunehmend zu nicht mehr nutzbarer Wärme
umgesetzt wird und daher dem System verloren geht, befinden sich die Stoffe in einem
fortgesetzten Kreislauf.
Chemische Stoffe durchlaufen die Nahrungsnetze in Form von vielerlei Verbindungen und
gelangen durch Mineralisierung in den unbelebten Bereich, wovon sie durch Organismen
erneut aufgenommen werden können.
Im Boden sind folgende Kreisläufe von großer Bedeutung:
-
Kohlenstoffkreislauf
-
Schwefelkreislauf
-
Stickstoffkreislauf
-
Phosphorkreislauf
3.1 Kohlenstoffkreislauf
Beim Kohlenstoffkreislauf kann man zwischen Kurzzeit-Kreislauf und Langzeit-Kreislauf
unterscheiden.
Im folgenden wird zuerst der Kurzzeit-Kreislauf erläutert.
Die Pflanzen nehmen das CO2 aus der Atmosphäre auf und bauen aus diesem während der
Photosynthese organische Substanz auf. Diese gebildeten Stoffe passieren die Nahrungskette.
Letztendlich wird wiederum durch die Atmung der Organismen CO2 der Atmosphäre
zugeführt. Zu diesem Kreislauf zählt auch, dass auch organische Kohlenstoffverbindungen
z.B. Humus im Boden gebunden werden.
Im Gegensatz zum Kurzzeit-Kreislauf beansprucht der Langzeit-Kreislauf Jahrtausende bis
Jahrmillionen. Nicht nur im Meer gelangen unzählige Kohlenstoffverbindungen – z.B.
organische Verbindungen und Kalkschalen – in die Sedimente, wodurch auf lange Zeit durch
Bildung von Torf, Kohle, Öl und Erdgas dem Kreislauf auf lange Zeit Kohlenstoff entzogen
wird. Auch geschieht dies durch Bildung von Carbonatgesteinen.
Durch Verbrennung dieser fossilen Stoffe – größtenteils durch anthropogenen Einfluss –
werden wieder beachtliche Mengen an CO2 der Atmosphäre und somit dem
Kohlenstoffkreislauf zugeführt.
18
3.2 Schwefelkreislauf
Wie bei vielen anderen Kreisläufen sind
beim Schwefelkreislauf gasförmige Stoffe
beteiligt.
Die Abb. Schwefelkreislauf zeigt die
unterschiedlichen Verbindungen, in denen
der Schwefel im Kreislauf vorkommt.
Die einzelnen Schritte bzw. Produkte
werden hier nicht erläutert, da sie meist
durch
spezielle
Bakterien
produziert
werden. Dies würde den Rahmen einer
chemischen Ausarbeitung sprengen.
Abb. 6: Schwefelkreislauf (Quelle: Internet www.biologie.de/biowiki/Schwefelkreislauf)
3.3 Phosphorkreislauf
Im Gegensatz zu den anderen erwähnten Kreisläufen enthält der Phosphorkreislauf keine
gasförmigen Verbindungen. Da die Atmosphäre an diesem Kreislauf nicht beteiligt ist, nennt
man solche Kreisläufe auch „Ablagerungskreisläufe“.
Das aus Mineralien durch Verwitterung freigesetzte Phosphat wird von Lebewesen – sowohl
Flora als auch Fauna – aufgenommen und in Biomoleküle, z.B. DNA und ATP, eingebaut.
Über die Nahrungskette gelangt es wieder in den Boden.
Ein weiterer Teil gelangt aber auch in die Fließgewässer, wo sie sich zum einen in Sedimente
ablagern; zum anderen Teil kann das Phosphat über die Nahrungskette „Fische – Seevögel“
durch die Exkremente wieder an Land gelangen und somit riesige Guano-Lagerstätten bilden.
19
Abb. 7: Phosphorkreislauf (Quelle: Daniela Heinrich)
3.4 Stickstoffkreislauf
Abb. 8: Stickstoffkreislauf (Quelle: Internet www.wikipedia.org/wiki/Stickstoffkreislauf)
Pflanzen (Produzenten) nehmen Stickstoff überwiegend als Nitrat NO3- über die Wurzeln auf.
Wenn genügend vorhanden ist, kann auch in seltenen Fällen Ammonium NH4+ aufgenommen
werden, was dann direkt in der Wurzel in Aminosäuren eingebaut wird.
20
Die Konsumenten (Tiere) nehmen die stickstoffhaltigen Verbindungen durch die
Nahrungskette auf; im Boden kann dann – oft durch Hilfe von Destruenten – aus diesen
Verbindungen von abgestorbenen Organismen Ammonium freigesetzt werden.
Desweiteren kann auch Ammonium durch Luftstickstoff fixierende Bakterien aus N2
gewonnen werden. Ammonium NH4+ wird durch nitrifizierende Mikroorganimen über Nitrit
NO2- zu Nitrat NO3- oxidiert.
Dieses Nitrat kann von den Pflanzen aufgenommen werden. Jedoch kann Nitrat NO3- auch
durch „Nitratatmung“ (Denitrifikation) über NO2-  NO  N2O zu N2 reduziert werden.
Der Nitratkreislauf ist der in der Schule relevanteste Kreislauf, weswegen auch folgender
Versuch ausgewählt wurde.
Versuch 3: Nitratnachweis im Boden mittels Ringprobe
Geräte:
Reagenzgläser,
Reagenzglasständer,
Reagenzglasklammer,
Pipetten, Pipettenhütchen, Schraubdeckelgläschen
Chemikalien:
Bodenprobe,
Schwefelsäure
(c(H2SO4) = 2,5 mol/L),
Eisen(II)sulfat FeSO4, konz. Schwefelsäure
Durchführung:
Vor Versuchsbeginn wird bereits eine Probelösung mit der zu
untersuchenden Bodenprobe angesetzt. Ca. 2 g Bodenprobe
werden
mit
10 mL
Wasser
aufgeschlämmt
und
gut
durchgeschüttelt. Da die Nitrate im Boden waserlöslich sind,
kann dann aus diesem Wasser die weitere Untersuchung
durchgeführt werden.
Einige wenige Tropfen der Probelösung werden im Reagenzglas
mit der gleichen Menge einer kalt gesättigten, mit 2,5 molarer
Schwefelsäure angesäuerten Eisensulfat-Lösung versetzt. Dann
wird vorsichtig mit konzentrierter Schwefelsäure unterschichtet,
indem man das Reagenzglas schräg hält und die konzentrierte
Schwefelsäure an der inneren Wandung herunterfließen lässt.
21
Beobachtung:
An
der
Berührungszone
wässrige
Lösung / konzentrierte
Schwefelsäure bildet sich je nach NO3--Menge ein brauner bis
amethystfarbener Ring.
Auswertung:
Nitrat NO3- wird durch die Zugabe von Fe2+-Ionen zu NO
reduziert, wobei Fe2+ zu Fe3+ oxidiert wird.
NO3- + 3 Fe2+ + 4 H+  3 Fe3+ + NO + 2 H2O
Das
NO
fungiert
als
Ligand:
Es
kommt
zu
einem
Ligandenaustausch; der entstandenen Komplex zeigt die
charakteristische bräunliche Farbe.
NO + [Fe(H2O)6]2+  [Fe(H2O)5(NO)]2+ + H2O
4. Lebensraum Boden
Der Boden bildet die Lebensgrundlage von Flora und Fauna.
4.1 Flora
Das Wachsen und Gedeihen der Pflanzen ist mit den bereits erwähnten physikalischen und
chemischen Eigenschaften des Bodens sehr eng verbunden. Von besonderer Bedeutung und
Einfluss sind Wassergehalt, Wasserdurchlässigkeit, Erwärmbarkeit, Durchlüftung und pHWert des Bodens.
Die Pflanze bezieht alle zum Wachstum und Leben notwendigen Mineralien und Nährstoffe
aus dem Boden.
Diese kann man in Makro- und Mikronährelemente unterteilen.
Zu den Makronährelementen zählen folgende 10 Elemente: C, H, O, N, S, P, K, Ca, Mg und
Fe. Wenn nur eines dieser Elemente nicht in ausreichender Menge vorhanden ist, kommt es
zu Mangelerscheinungen.
22
Mikronährelemente sind die sogenannten Spurenelemente. Im Gegensatz zu den
Makronährelementen werden sie nur in geringen Menge benötigt. Oft sind sie Bestandteil von
Enzymen.
Zu den Mikronährelementen zählen: Mn, Zn, Co, Cu, Mo, Na, B, Cl und Si.
Abgesehen von Kohlenstoff werden Nährelemente in folgender Form mit den Wurzeln
aufgenommen:
-
Stickstoff als Nitrat NO3- oder Ammonium-Ion NH4+ oder als
Harnstoff (bei Düngung)
-
Schwefel und Phosphor als Sulfat SO42- und Phosphat H2PO4-
-
alle Metalle und Übergangsmetalle als Kationen
-
Chlor als Chlorid Cl-
Mit dem folgenden Versuch möchte ich zeigen, dass Eisen ein Makronährelement ist. Das
müsste bedeuten, dass es sowohl im Boden als auch in der Pflanze in ausreichender Menge
vorhanden ist, um es auch mit einfachen Reagenzien nachweisen zu können.
Versuch 4: Nachweis von Fe2+- und Fe3+-Ionen im Boden und in der Pflanze
Geräte:
Porzellantiegel,
Teclubrenner,
Tondreieck,
Reagenzgläser,
Reagenzglasständer, Pipetten, Pipettenhütchen, Präparategläschen,
Spatel
Chemikalien:
zerkleinerte
Pflanzensubstanz,
Salzsäure
(w(HCl)=5 %),
Kaliumthiocyanat, Kaliumhexacyanoferrat(III), Bodenprobe
Durchführung:
Zunächst wird die zerkleinerte Pflanzensubstanz verascht. Tiegel mit
ca. 5 – 10 g Pflanzensubstanz werden auf das Tondreieck gestellt und
der Tiegelinhalt wird mit der Flamme des Teclubrenners verascht.
Die Veraschung ist beendet, wenn der Rückstand weiß bis schwach
grau gefärbt ist.
Die Asche wird zu gleichen Teilen auf zwei Reagenzgläser verteilt. Das
gleiche auch mit ca. 3 g Bodenprobe. Man löst alles in entionisiertem
23
Wasser und säuert mit Salzsäure an. Die weiteren Untersuchungen
werden im Filtrat durchgeführt.
Nachweis für Fe3+-Ionen:
Zu dem Filtrat (einmal von Pflanzenasche und einmal von Bodenprobe)
wird Kaliumthiocyanat hinzugegeben.
Nachweis für Fe2+-Ionen:
Zu dem Filtrat (einmal von Pflanzenasche und einmal von Bodenprobe)
wird Kaliumhexacyanoferrat(III) hinzugegeben.
Beobachtung:
Nachweis für Fe3+-Ionen:
In beiden Reagenzgläsern gibt es einen Farbumschlag nach blutrot.
Nachweis für Fe2+-Ionen:
In beiden Reagenzgläsern färbt sich die Lösung tiefblau.
Deutung:
Beim Fe3+-Nachweis entsteht das rote Eisenthiocyanat (Fe(NCS)3).
Beim Fe2+-Nachweis entsteht Berliner Blau (KFe[Fe(CN)6]).
Somit wäre nachgewiesen, dass sowohl im Boden als auch in der
Pflanze Fe2+- und Fe3+-Ionen vorkommen und somit Eisen auch zu den
Makronährelementen gehört.
Wie bereits erwähnt müssen alle Elemente in ausreichender Menge vorhanden sein, damit die
Pflanzen wachsen können.
Da aber durch die Ernte die Pflanzen den lokalen Kreisläufen entzogen werden, kann es zu
Verarmungen in den Böden an den Makronährelementen N, P, K, Ca, Mg und S und den
Mikronährelementen Cu, Zn, Mo und B kommen. Für die Regeneration der Böden werden
daher Dünger notwendig.
24
Dabei muss aber das Liebigs „Gesetz des Miniumums“ beachtet werden. Dieser Spezialfall
des ökologischen Pessimusgesetzes besagt, dass derjenige Nährstoff, der in geringster Menge
da ist, das Wachstum bestimmt.
Abb. 9: Liebigs Gesetz (Quelle: Internet Prof. Blume)
Die oben gezeigte Abbildung verdeutlicht dies am Beispiel von Stickstoff-Mangel bei vollem
Phosphor- und ausreichendem Kalium-Angebot.
Daher muss die relative Zusammensetzung des Düngers auf den Verbrauch zugeschnitten
sein. Denn alles, was dem Boden zu viel zugeführt wird, ist Ballast für den Boden und führt
zum Problem der Überdüngung; z.B. Eutrophierung von Gewässern bei P-Überschuss.
4.2 Fauna
Im Boden selbst leben eine Vielzahl von Tieren. Die Artenvielfalt reicht von Bakterien über
Amöben, allerlei Insekten bis hin zu Kleinnagern.
Von der Lebensweise dieser Tiere – Gänge graben, Abgeben von Kot, Transport von Blättern
in den Boden, Zersetzen von toten Organismen – profitiert der Boden. Unter anderem
gewährleisten sie den Nährstoffeintrag und die Durchlüftung des Bodens.
Beispielsweise scheiden Bodenorganismen auch eine Vielzahl von Enzymen aus. Diese
wirken im Boden am Humusbildungsprozess mit.
Diese Enzyme können nun zur Bewertung der Umsatzleistung und Humusbildung im Boden
herangezogen werden. Dies wird mit dem unten dargestellten Test gemacht.
Wenn der Boden katalasereich ist, ist das ein Indiz dafür, dass der Boden reich an
Mikroorganismen ist.
Aber diese Organismen sind auch sehr empfindlich, weswegen Bodenverunreinigungen
vermieden werden sollten. Dies soll nun auch gezeigt werde, um den Schülern zu
verdeutlichen, dass die Bodenfauna durch Schwermetalle und Altöl sehr große Schäden
25
erleidet. Diese Demonstration ist sehr gut geeignet, den Schülern den Umweltaspekt der
Schwermetallbelastung und dessen Folgen einprägsam und anschaulich darzustellen.
Demo 2: Bodenenzymtest
Geräte:
- Magnetrührer mit Rührfisch
- Erlenmeyerkolben mit seitl. Ableitung
- Kurzer Gummischlauch
- Gewinkeltes Glasrohr
- Messzylinder
- Glaswanne mit Wasser
- Bodenprobe
Chemikalien:
- Wasserstoffperoxid w(H2O2) = 3 %
- Bodenprobe
- Altöl
Durchführung:
- in das Reaktionsgefäß werden 5 g trockene Erde, der Rührfisch und
10 mL der Wasserstoffperoxid-Lösung gegeben
- nach dem schnellen Verschließen des Gefäßes werden eine Stoppuhr
und der Magnetrührer eingeschaltet
- das sich bildende Gasvolumen wird nach 3 Minuten abgelesen
- ebenso verfährt man auch mit einer mit Altöl belasteten Bodenprobe
- Vergleich der Ergebnisse
Auswertung:
Durch die Katalase zersetzt sich Wasserstoffperoxid in Wasser und
Sauerstoff.
2 H2O2 (l)  2 H2O + O2 (g)
26
Durch das Altöl werden die Mikroorganismen, die unter anderem
Katalase haben, beeinträchtigt, weswegen die Reaktion nicht/kaum
auftritt.
Theoretischer Hintergrund:
Katalysatoren
sind
Reaktionsbeschleuniger,
gehen
aber
selbst
unverändert aus der Reaktion hervor. Sie können zwar an einzelnen
Elementarschritten beteiligt sind, aber sie werden nicht verbraucht, .
Falls sie an einem Reaktionsschritt beteiligt sind, so werden sie in
einem weiteren Reaktionsschritt wieder zurückgebildet.
A + Kat
 A...Kat
A…Kat + B  AB + Kat
Bei katalysierten Reaktionen haben im Vergleich zu nichtkatalysierten
Reaktionen eine geringe Aktivierungsenergie Ea:
Es gibt 2 Arten von Katalyse, nämliche eine homogene und eine
heterogene.
Bodenorganismen scheiden u.a. auch eine Vielzahl von Enzymen aus,
die im Boden auch am Humusbildungsprozess mitwirken. Dazu zählt
auch die Katalase.
Durch
Schwermetall-
und
Altölkontamination
haben
die
Bodenorganismen keine gute Lebensgrundlage mehr; somit wird der
Boden ärmer an Organismen und somit an Enzymen.
Zudem werden durch Schwermetalle auch Enzyme gehemmt.
27
5. Bodenbelastung
Beim Thema Boden muss auch der Aspekt der Bodenbelastung genannt werden. Wie bereits
in den vorherigen Kapiteln erläutert, ist der Boden ein sehr komplexes Gefüge, was auf
drastische Umweltveränderungen reagiert.
Daher werde ich hierbei auf die Auswirkungen von Saurem Regen und den Langzeitfolgen
von Schwermetallkontaminierungen eingehen.
5.1 Saurer Regen
Zunächst einmal muss die Frage geklärt werden, was überhaupt Saurer Regen ist.
Auch der „normale“ regen hat einen pH-Wert, der im sauren Bereich liegt; nämlich bei
pH = 5,6. Das kommt dadurch zustande, dass sich in der Luft befindliches Kohlendioxid CO2
sich in Wasser löst und somit formal Kohlensäure bildet. Kohlensäure H2CO3 ist jedoch
instabil, wodurch diese in dissoziierter Form vorliegt.
CO2 (g) + H2O (l)
"H2CO3"
HCO3-(aq) + H+(aq)
Daher wird Niederschlag, der einen kleineren pH-wert als 5,6 hat, als Sauren Regen
bezeichnet.
Ursachen dafür sind die bei Verbrennung von fossilen Brennstoffen- z.B. von Kohle, heizöl,
Erdgas, beim Autofahren - entstehenden Stickoxide NOx und Schwefeloxide SOx.
Diese gase bilden zusammen mit Wasser Säuren.
Stickoxide mit Wasser:
2 NO2 + H2O  „ HNO2 + HNO3”
Schwefeloxide mit Wasser:
SO2 + H2O  „H2SO3“
SO3 + H2O  „H2SO4“
Die Auswirkungen von Sauren Regen kann man beim Waldsterben sehen.
28
Durch die Übersäuerung der Böden werden Schwermetallionen und auch die AluminiumIonen der Tonmineralien freigesetzt, die die Feinwurzeln des Baumes absterben lassen;
dadurch wird der Wasser- und Nährstoffhaushalt des Baumes erheblich gestört.
Durch das Auswaschen der Aluminiumionen aus den Tonmineralien verlieren ebendiese ihre
Struktur und Funktion.
Die Auswirkungen von Saurem Regen kann man daher auch den Schülen sehr gut mit
folgendem Versuch zeigen. Dabei wird gezeigt, dass durch Säureeinwirkung aus einem
gesunden Boden die Aluminiumionen herausgewaschen werden. Diese können dann
qualitativ nachgewiesen werden.
Versuch 5: Qualitativer Nachweis von Aluminium-Ionen
Geräte:
Reagenzgläser, Reagenzglasklammer, Spatel, Pipetten, Pipettenhütchen,
pH-Papier, UV-Lampe, Reagenzglasständer, Glasstäbe
Chemikalien:
Kalilauge (KOH), Eisessig (CH3COOH (konz.)), Morin,
Erde (getrocknet und gemörsert), verdünnte Schwefelsäure (H2SO4)
Durchführung:
Die Erde wird einige Zeit (am besten über Nacht) in verdünnte
Schwefelsäure gelegt. Ab und zu sollte gut durchgerührt werden.
Anschließend wird die Lösung zentrifugiert.
Für die weiteren Versuchs-Schritte wird das Zentrifugat verwendet.
Einige mL des Zentrifugats wird mit Kalilauge stark alkalisch gemacht,
gut durchgeschüttelt, dann mit Eisessig stark angesäuert und mit einigen
Tropfen der Morin-Lösung versetzt.
Anschließend hält man es unter eine UV-Lampe.
Eine Blindprobe mit der verwendeten Kalilauge und Morin ist zum
Vergleich von Fluoreszenzfarbe und –stärke ratsam.
Auswertung:
Aluminium-Ionen Al3+ bilden in neutraler oder essigsaurer Lösung mit
Morin eine intensiv fluoreszierende kolloidale Suspension.
29
HO
OH
O
OH
3+
Al
OH
HO
+3
O
HO
HO
O
HO
O
OH
O
OH
O
+ 3 H+
Al
O
O
O
OH HO
O
OH
OH
O
OH
HO
HO
5.2 Persistenz von Schadstoffen im Boden
Nicht nur der Saure Regen ist für den Boden sehr schädlich, sondern auch die Schwermetalle
und Altlasten wie z.B. Öl.
Diese Schadstoffe bauen sich im Boden nur sehr langsam oder gar nicht ab. Deren Stabilität
bezeichnet man mit Persistenz beschrieben.
Die Persistenz im Boden hängt von der Schadstoffart, Anfangskonzentration, pH-Wert,
Temperatur, Adsorption, Durchlüftung und Sauerstoffgehalt ab. Aber auch die biologische
Abbauaktivität durch Mikroorganismen darf nicht vernachlässigt werden.
Je nach Schadstoffart ist die Persistenz von unterschiedlicher Länge.
Einige Beispiele:
- Kupfer:
Kupferverbindungen findet man vor allem in Weinbergböden. Da
Kupfer antibakteriell und antimykotisch (gegen Pilzbefall) wirkt, wird
es sehr häufig – auch in großen Mengen – im Weinbau eingesetzt.
Die Kupferbindungen sind kaum persistent, da sie gut löslich sind.
Zudem ist Kupfer auch ein Spurenelement des Bodens.
30
- Quecksilber: Da Quecksilber zwischen Boden und Grundwasser und auch
Atmosphäre schnell ausgetauscht wird, ist es kaum im Boden persistent.
Dagegen
ist
es
biologisch
persistent,
da
die
giftigen
Quecksilberverbindungen sich in Geweben akkumulieren.
- Blei:
Die Bleiverbindungen – wie die Bleichloride und Bleisulfate – reichern
sich aufgrund ihrer Unbeweglichkeit im Boden an.
Besonders häufig findet man noch heute – trotz inzwischen bleifreiem
Benzin – hohe Bleikonzentrationen in den Böden in der Nähe von
vielbefahrenen Straßen.
- Nitrat:
Da Nitrate wasserlöslich sind, sind sie zwar nicht bodenpersistent, aber
reichern sich im Grundwasser an.
- Mineralöle: Öl ist sehr persistent, da es sich aus dem Boden nicht mit Wasser
auswaschen lässt. Zudem ist das Rückhaltevermögen des Bodens für Öl
sehr hoch – nämlich 5 – 10 L/m3.
Jedoch wird die hohe Persistenz für den Boden durch einen guten
mikrobiellen
Abbau
relativiert.
Dabei
ist
eine
ausreichende
Sauerstoffkonzentration unerlässlich.
6. Schulrelevanz
Das Thema „Boden“ eignet sich sehr gut für den Chemieunterricht.
Das Thema kann zum einen zum Projektlernen in der Unterstufe eingesetzt werden, aber
auch im weiterführenden Mittelstufen- und Oberstufenunterricht.
Im schulischen Chemieunterricht vorkommende Themen wie z.B Säure-Base-Theorie,
Puffersysteme, Komplexchemie etc. findet man anwendungsbezogen beim Thema „Boden“.
Nicht nur Themen der Anorganik können hierbei behandelt werden, sondern auch die der
Organik. Hierbei sind als Beispiele nur die Themen Huminsäuren und die Enzyme genannt.
Aber auch für den fächerübergreifenden Unterricht bietet das Thema Boden genügend
31
Material. Im Fach Biochemie kann man detaillierter auf die Stoffkreisläufe und die
biologischen (Stichwort: Mikroorganismen) und ökonomischen Einflüsse eingehen.
Desweiteren kann im Biologieunterricht und im Geographieunterricht – wenn möglich im
Rahmen einer Exkursion – das Thema im Hinblick auf die ökologischen und
umwelterzieherischen Aspekte behandelt werden.
32
6. Literaturangaben
Bücher

Jander Blasius, Lehrbuch der analytischen Chemie, 15. Auflage, Hirzel Verlag,
Leipzig 2002

Chemie heute Sekundarbereich II, 1. Auflage, Schroedel Schulbuchverlag,
Hannover 1988

Ernst Schlichting / Hans-Peter Blume, Bodenkundliches Praktikum, Verlag Paul
Parey, Hamburg / Berlin 1966

Heinrich Rid, Das Buch vom Boden, Ulmer, Stuttgart 1984

Scheffer-Schachtschabel, Lehrbuch der Bodenkunde, Ferdinand Enke Verlag,
Stuttgart 1970

Ulrich Gisi, Bodenökologie, Georg Thieme Verlag, Stuttgart 1990
Internetquellen

www.wikipedia.de

www.quarks.de

www.uni-bielefeld.de
und weitere „gegoogelte“ Grafiken
Zeitschriften

Praxis der Naturwissenschaften, Heft 6/42, Deubner Verlag, Köln 1993

Praxis der Naturwissenschaften, Heft 8/43, Deubner Verlag, Köln 1994, S. 22 ff.

Praxis der Naturwissenschaften, Heft 4/42, Deubner Verlag, Köln 1993, S. 21 ff.

Praxis der Naturwissenschaften, Heft 6/45, Deubner Verlag, Köln 1996, S. 20 ff.

Praxis der Naturwissenschaften, Heft 2/38, Deubner Verlag, Köln 1989, S. 9 ff.
33