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Experimentalvortrag (AC)
Anthropogene Einflüsse auf die
natürlichen Stoff-Kreisläufe
1.
Die anthropogenen Einflüsse auf die natürlichen Stoffkreisläufe
1. Einfluss des Menschen
2. Sphärischer Aufbau der Erde
3. Die Stoff-Kreisläufe
3.1 Der Wasser-Kreislauf
3.2 Der Sauerstoff-Kreislauf
3.3 Der Kohlenstoff-Kreislauf
3.4 Der Schwefel-Kreislauf
3.5 Der Stickstoff-Kreislauf
4. Treibhauseffekt, globale Erwärmung
und Saurer Regen
5. Anwendung in der Schule / Schulrelevanz
1.
Einfluss des Menschen
1. Einfluss des Menschen
• Mensch begann vor 10.000 Jahren sesshaft zu
werden und beansprucht seit dem endliche
Ressourcen oft über die naturgegebenen
Umweltkapazitäten hinaus
• Weltbevölkerung hat sich seit 1850 verfünffacht,
was mit einem dreißigfachen Verbrauch an
Primärenergie, zu 70 % gedeckt durch fossile
Energieträger, einhergeht
• Umweltproblematik ist aktueller denn je:
Ozonloch, Waldsterben, anthropogene
Klimaveränderung
1.
Einfluss des Menschen
Der ökologische Fußabdruck
• beschreibt die Fläche auf der Erde, die
notwendig ist, um den Lebensstil und –
standard eines Menschen dauerhaft zu
ermöglichen
(berechnet nach Flächen, die zur Erzeugung von
Nahrung, Kleidung und Bereitstellung von Energie, zum
Entsorgen des produzierten Mülls oder des natürlich
erzeugten Kohlendioxids benötigt werden)
1.
Einfluss des Menschen
Der ökologische Fußabdruck
1
2
Vereinigte
12 ha (enstspr. 16
Arabische Emirate Fußballfeldern)
USA
9 ha (13 Fußballfelder)
23 Deutschland
4 ha (6 Fußballfelder)
Durchschnittlich benötigt jeder Erdenbürger 2,3 ha,
zur Verfügung stehen jedoch nur 1,8 ha.
Quelle: World Wide Fund For Nature (WWF)
1.
Einfluss des Menschen
Deutsche Extremfälle in 2006
• Januar:
•
•
•
•
•
Enorme Schneemassen stürzen ganz Deutschland ins
Chaos.
29. März:
ein Tornado fegt über den Süden Hamburgs und richtet
ein verheerendes Wetterchaos an. Zwei Menschen
sterben.
29. Juni:
katastrophaler Hagelschauer bei Donaueschingen (bei
Freiburg i.Br.). Tennisballgroße Hagelkörner beschädigen
hunderte Autos und Gebäude, zahlreiche Menschen
werden verletzt.
Ende August: Tief „Gabi“ sorgt für einen plötzlichen Sommerabbruch,
die Schneefallgrenze fällt unter 1700 Meter, Deutschland
geht im Dauerregen unter, viele Orte werden von
Hochwasser geflutet.
26. Oktober: in Freiburg werden 27°C gemessen, im übrigen
Deutschland wird es 17 bis 26°C warm.
17. November: nach einem ersten, kurzen Schneefall Anfang des
Monats wird es wieder 20°C warm, die höchste
Novembertemperatur seit Beginn der
Wetteraufzeichnung.
2.
Sphärischer Aufbau der Erde
2. Sphärischer Aufbau der Erde
Quelle:
Georg Schwedt
3.
Die Stoff-Kreisläufe
3. Die Stoff-Kreisläufe
Die Grundbausteine der Erde sind die
Elemente, die charakteristisch StoffKreisläufe aufweisen.
Wasser, Sauerstoff,
Kohlenstoff, Schwefel, Stickstoff
3.
Die Stoff-Kreisläufe
3.1 Der Wasser-Kreislauf
Niederschlag = Verdunstung + Abfluss + Speicherung
0,001 %
2,1 %
0,6 %
97 %
Quelle:
Marshall Cavendish
3.1
Der Wasser-Kreislauf
Niederschlag = Verdunstung + Abfluss + Speicherung
(Quelle: Marshall Cavendish)
3.1
Der Wasser-Kreislauf
Abwasserentsorgung in einem Elendsviertel in Manila,
Hauptstadt der Philippinen
Quelle: Marshall Cavendish
3.1
Der Wasser-Kreislauf
Das Liebigsche
„Gesetz vom Minimum“
besagt, dass das
Pflanzenwachstum immer
durch die knappste
Ressource eingeschränkt
wird.
3.1
Der Wasser-Kreislauf
Algenwachstum bestimmt durch Phosphatkonzentration im Gewässer
Versuch 1:
Aluminium-Eisenphosphatfällung
Eisen-Phosphat-Fällung:
Verwendung von dreiwertigen Eisensalzen
(Eisen(III)-chlorid (FeCl3), Eisen(III)-sulfat (Fe2(SO4)3)),
welche ein schwerlösliches Eisenphosphat bilden.
Aluminium-Phospaht-Fällung:
In der Regel Verwendung von Aluminiumsulfat (Al2(SO4)3).
Fällungsreaktion:
Fe3+,Al3+ + PO43-  Fe,AlPO4
3.1
Der Wasser-Kreislauf
Verschmutztes Grundwasser wird vor allem mit Aktivkohle gereinigt.
Diese Art der Reinigung stellt eine der sichersten Methoden dar.
Vereinfachtes Verfahrensfließschema einer Grundwasserbehandlungsanlage mit Aktivkohle-Adsorption
Quelle: http://www.xfaweb.baden-wuerttemberg.de/alfaweb/berichte/mza17/gwr0111.html
3.1
Der Wasser-Kreislauf
Demonstration 1:
Rotwein entfärben mit Aktivkohle
Auswertung:
Der Rotwein entfärbt sich bei der
Behandlung mit Aktivkohle.
50 mL Rotwein
5 g Aktivkohle (Pulver)
200
zur Pumpe
150
250 m L
100
50
Aktivkohle im Elektronenmikroskop,
Ausschnitt ca. 30 µm
(Quelle:
http://www.cwaller.de/deutsch.htm?teil4_
5_1_luftschadtstoffe.htm~information)
LaboBib
©
0 U/min
20
AN
100
AUS
40
80
60
3
Die Stoff-Kreisläufe
3.2 Der Sauerstoff-Kreislauf
Photosynthese grüner Pflanzen:
h·v
6 CO2 (g) + 6 H2O  C6H12O6 (aq) + 6 O2 (g)
5,5 . 1016 t
CO32-, SiO44-, SO42-
Atmosphäre 1,3 . 1014 t
Disauerstoff (O2)
(Stratosphäre auch
O3 und O)
Lithosphäre
3.2
Der Sauerstoff-Kreislauf
Versuch Nr. 2:
Ozonbildung durch UV-Bestrahlung von Luft
zur Pumpe
UV-Lampe
Gaswaschflasche mit
Fritte, gefüllt mit
Iodid-Stärke-Lösung
3.2
Der Sauerstoff-Kreislauf
Versuch Nr. 2:
Ozonbildung durch UV-Bestrahlung von Luft
Versuchsauswertung:
Reaktionen an der UV-Lampe:
h·v
O2 (g)  2 O (g)
h·v
O2 (g) + O (g) O3 (g)
Reaktion des O3 mit dem I-:
-I
±0
-II
±0
±0
-II +I
2 I-(aq) + O3 (g) + H2O  I2 (aq) + O2 (g) + 2 OH- (aq)
-I
±0
-⅓
I- (aq) + I2 (aq)  [I3]- (aq)
eingelagert in
Stärke-Helix
blauviolett
Quelle:
http://www.hgr.hn.bw.schule.de/comenius/bierbrauen/images/Bilder/Biotec3.jpg
3.2
Der Sauerstoff-Kreislauf
Anthropogene Einflüsse
auf den Sauerstoff-Kreislauf
• Fast alle auf der Erdoberfläche freigesetzten
Stoffe gehen mit Sauerstoff eine Reaktion ein
• Sauerstoffkreislauf mit den C-, S-, und NKreisläufen stark gekoppelt, jede
Beeinträchtigung der anderen Kreisläufe führt
längerfristig immer auch zu einer Beeinflussung
des Sauerstoff-Kreislaufs.
• Natürliche Sauerstoff-Produktion durch den
Menschen vor allem durch das Abholzen der
Regenwälder beeinflusst
3
Die Stoff-Kreisläufe
3.3 Der Kohlenstoff-Kreislauf
Quelle: www.uni-kassel.de
3.3
Der Kohlenstoff-Kreislauf
Demonstration 2:
Vergleich der Absorption von
CO2-Gas und Luft
Foto vom
Aufbau !!!
Versuchsdurchführu
ng:
http://www.schule.pr
ovinz.bz.it/nikolauscusanus/fhwbck/trei
bhaus.htm
Versuchsauswertung:
Die Wärmestrahlen durchdringen den Luftballon,
treffen auf das Temperaturmessgerät auf und
geben dabei Energie ab. Die Temperatur steigt an.
ΔT
Luft-Ballon
CO2-Ballon
+ 1,1 °C
+ 0,7 °C
Da die Temperatur beim Versuch mit Kohlendioxid
weniger ansteigt, folgt, dass CO2 mehr
Wärmestrahlung absorbiert als Luft.
3.3
Der Kohlenstoff-Kreislauf
CO2-Sequestrierung im Meer
Quelle:
http://arch.rivm.nl/env/int/ipcc/pages_media/SRCCS-final/graphics/jpg/large/Figure%20TS-09.jpg
3
Die Stoff-Kreisläufe
3.4 Der Schwefel-Kreislauf
Quelle: Georg Schwedt
3.4
Der Schwefel-Kreislauf
• Schwefel-Reservoire werden auf über 1016 t (10 Millionen gt)
geschätzt
• Anthropogene Schwefelemissionen:
~ 80 Millionen Tonnen jährlich, damit dominierende Größe des
Kreislaufs  S-Kreislauf ist der vom Menschen am stärksten
beeinflusste Kreislauf
• Mensch nutzt vor allem Sulfide (Erze) und Sulfate (Gips, Anhydrid),
es entsteht SO2, welches als Saurer Regen auf die Erde
zurückkehrt
• 95 % des in der Atmosphäre vorkommenden SO2 stammt aus der
Kohle- und Erdölverbrennung
• Reduktion von Schwefelemissionen:
Moderne Entschwefelungsanlagen entfernen heute das bei der
Verbrennung schwefelhaltiger Materialien (Kohle, Erdöl, Erdgas)
entstehende SO2 direkt aus dem Rauchgas der
Verbrennungsanlage.
3.4
Der Schwefel-Kreislauf
Versuch Nr. 3:
Kalkwaschverfahren
zur Pumpe
zerkleinertes
Pyrit (FeS2)
pH-Meter
1 g CaCO3 und
100 mL Wasser
LaboBib©
300
50
AN
AN
1500
500
100
o
0 U/min
250
C
200
150
AUS
AUS
1000
750
3.4
Der Schwefel-Kreislauf
Versuch Nr. 3:
Kalkwaschverfahren
Versuchsauswertung:
Erhitzen des FeS:
+II -II
±0
+IV -II
+II / +III -II
3 FeS (s) + 8 O2 (g)  6 SO2 (g) + Fe3O4 (s)
Das SO2 wird durch die Aufschlämmung gesaugt, der pH-Wert
sinkt von anfänglich 9,8 bis auf ca. 2, die Lösung wird klar
-II
+IV -II
±0
-II
+VI -II
-II
2 CaCO3 (aq) + 2 SO2 (g) + O2 (g) + 2 H2O  2 CaSO4 (aq) + 2 CO2 (g)
3
Die Stoff-Kreisläufe
3.5 Der Stickstoff-Kreislauf
78 % der Atmosphäre besteht aus freiem, weitgehend inertem Stickstoff (N2), mindestens ebenso
große Mengen an gebundenem Stickstoff sind in der Lithosphäre enthalten.
Stickstoff unterliegt verschiedenen chemischen und mikrobiologischen Prozessen. Der globale
Stickstoff-Kreislauf kann als ein System von mehreren, relativ unabhängigen Kreislaufen verstanden
werden (NH3, NOx, N-Fixierung/-Denitrifizierung).
Atmosphäre
Landwirtschaft
Lithosphäre
Verbrennungsprozesse
Fließgewässer
3.5
Der Stickstoff-Kreislauf
Stickstoff-Fixierung
Anorganisch:
N2 (g) + O2 (g)  2 NO (g)
NO (g) + ½ O2 (g)  NO2 (g)
Biologisch:
Nitrose Gase (T+, C, O)
N2 (g) + 3 H2 (g)  NH3 (g)
4 CO2 (g) + 2 H2O + 2 NH3 (g)  CH2NH2COOH (aq) + 3 O2 (g)
Globale Stickstoff-Fixierung XY:
Mikrobielle Fixierung:
Haber-Bosch-Verfahren:
NOx aus Verbrennungsprozessen:
100 – 200 Mio t/a
82 Mio t/a
25 Mio t/a
3.5
Der Stickstoff-Kreislauf
NOx-Emissionen ausgewählter
technischer Verbrennungsprozesse
Verbrennungsprozess
NOx-Konzentration
Abgas [mg/m³]
im NOx-Emissionen
[mg/kWh]
Kraftwerksfeuerungen
Steinkohle-Staubfeuerung
1900 – 4000
2300 – 5900
Braunkohlefeuerung
600 – 1000
850 – 1400
Ölfeuerung
300 – 1000
300 – 1200
Gasfeuerung
100 – 800
85 – 700
Ölfeuerung
80 – 250
80 – 260
Gasfeuerung
160 – 370
135 – 320
PKW (Benzin)
1000 – 8000
900 – 7000
PKW (Benzin, Leerlauf)
20 – 50
18 – 50
PKW (Diesel)
400 – 3000
1000 – 3500
PKW (Diesel, Leerlauf)
20 – 50
70 – 180
Industriefeuerungen
Feuerungen Haushalte
Verbrennungsmotoren
3.5
Der Stickstoff-Kreislauf
Der „3-Wege-Kat“
Hauptverursacher für die in Deutschland jährlich an die Umwelt abgegeben 3 Millionen
Tonnen Stickstoffoxide sind Kraftfahrzeuge und Heizkraftwerke.
Stickoxide gehören zu den schädlichsten Abgasstoffen.
katalytisch aktive Schicht
LambdaSonde
Ptbeschichteter
Keramikmonolith
Zwischenschicht
elastisches Drahtgeflecht
Metallgehäuse
Unverbrannte
Kohlenwasserstoffe (CxHy)
und Kohlenmonoxid (CO) werden mit
Stickoxiden (NOx) bzw. mit Rest-Sauerstoff
zu Kohlendioxid (CO2), Wasser (H2O) und
Distickstoff (N2) umgesetzt.
CH4/NO2: CH4 (g) + 2 NO2 (g)  CO2 (g) + N2 (g) + 2 H2O
CO/NO2: 2 CO (g) + 2 NO2 (g)  2 CO2 (g) + N2 (g)
CH4/O2: CH4 (g) + 2 O2 (g)  CO2 (g) + 2 H2O
CO/O2:
2 CO (g) + O2 (g)  2 CO2 (g)
3.5
Der Stickstoff-Kreislauf
Versuch Nr. 4:
Der Autokatalysator
1. Katalytische Umwandlung eines NOx/CO-Gasgemischs:
Platindrahtnetz
Kolbenprober mit
NOx-/CO-Gemisch
2. CO2-Nachweis:
Gasgemisch
mit CO2
Gesättigte
Ba(OH)2-Lösung
3.5
Der Stickstoff-Kreislauf
Versuch Nr. 3:
Der Autokatalysator
Versuchsauswertung:
1. Katalytische Umwandlung eines NOx/CH4-Gasgemischs:
Kat
CH4/NO2: 2 CH4 (g) + 2 NO2 (g)  2 CO2 (g) + N2 (g) + H2O (g)
farblos
braun
farblos,
vermischt mit NO2 gelb
Kat
CH4/O2: CH4 (g) + 2 O2 (g)  CO2 (g) + 2 H2O (g)
2. CO2-Nachweis:
Ba(OH)2 (aq) + CO2 (g)  Ba(CO3) (s) + H2O
4.
Treibhauseffekt, globale Erwärmung und Saurer Regen
4. Treibhauseffekt, globale
Erwärmung und Saurer Regen
Der natürliche Treibhauseffekt:
Mittlere Temperatur an der Erdoberfläche
ohne klimawirksame Spurenstoffe:
- 18°C
ΔT = 33°C
Tatsächliche mittlere Temperatur:
+ 15°C
Spurenstoffe und ihr Beitrag zum natürlichen Treibhauseffekt:
Wasserdampf (20,6°C), Kohlendioxid (7,2°C), Ozon (2,4°C),
Distickstoffoxid (1,4°C), Methan (0,8°C), andere (0,6°C)
4.
Treibhauseffekt, globale Erwärmung und Saurer Regen
Der verstärkte Treibhauseffekt (anthropogen bedingt):
Quelle: Marshall Cavendish
4.
Treibhauseffekt, globale Erwärmung und Saurer Regen
und
werden durch Regen ausgewaschen:
Saurer Regen:
N2 (g) + O2 (g)  2 NO (g) ΔH° = + 87 kJ/mol
(Energie stammt in der Atmosphäre u.a. aus Blitzentladungen)
NO (g) + O3 (g)  NO2 (g)
OH. (g) + NO2 (g)  HNO3 (g)
SO2 (g) + ½ O2 (g)  SO3 (g)
H2O + SO3 (g)  H2SO4 (g)
H2O + NO (g) + SO2 (g) H2SO4
(katalysiert durch Vanadium, Platin, Sonnenlicht)
(g)
+ N2O (g)
Quelle: Georg Schwedt
4.
Treibhauseffekt, globale Erwärmung und Saurer Regen
Demonstration 3:
Vergiftung von Kresse durch Schadgase
Fotos einfügen
Durchführung beschreiben,
Kresse herumgeben
5.
Schulrelevanz
5. Anwendung in der Schule / Schulrelevanz
Auszüge aus dem hessischen Lehrplan:
Jahrgangsstufe 7G.1:
Vorschläge für Kontexte / Projektarbeiten:
„[…] Wasserkreislauf, Besuch einer
Kläranlage […]“
Jahrgangsstufe 7G.2:
Vorschläge für Kontexte / Projektarbeiten:
„[…] Kreislaufgeschehen in der
Atmosphäre […]“
Fakultative Unterrichtsinhalte:
„Kreislauf des Sauerstoffs“
Jahrgangsstufe 9G.3:
Fakultative Unterrichtsinhalte / Aufgaben:
Vorgänge im Verbrennungsmotor,
Abgaskatalysator […]
Jahrgangsstufe 10G.1:
Begründung:
„[…] Kreislaufgeschehen der Ökosphäre […]“
GK 12G.1:
Fakultative Unterrichtsinhalte:
Ökologie und Ökonomie von Prozessen der
chemischen Industrie, […] Anwendungen in der
Analytik; (z.B. Abwasserreinigung,
Bodenuntersuchungen […])
GK / LK 12G.1:
Unterrichtsinhalte / Aufgaben:
Umweltchemie/Umweltanalytik:
Chemische Untersuchung von Wasser,
Boden, Luft und Stoffen des Alltags (qualitative
Nachweise ausgewählter Ionen und Moleküle);
[…] Abwasserreinigung und Bodensanierung
[…] Maßnahmen zur Reinhaltung von Luft,
Wasser und Boden; […] Nachweisgrenzen /
Grenzwerte: Festlegung, Einhaltung,
Überwachung
Berücksichtigung von Aufgabengebieten (§6
Abs. 4 HSchG):
Ökologische Bildung und Umwelterziehung
6.
Danke…
Vielen Dank für die
Aufmerksamkeit !!