Anthropogene Einflüsse auf die natürlichen Stoff-Kreisläufe Experimentalvortrag (AC)

Anthropogene Einflüsse auf die Anthropogene Einflüsse auf die natürlichen Stoff-Kreisläufenatürlichen Stoff-Kreisläufe

Experimentalvortrag (AC)Experimentalvortrag (AC)

1. Einfluss des Menschen

2. Sphärischer Aufbau der Erde

3. Die Stoff-Kreisläufe

3.1 Der Wasser-Kreislauf3.2 Der Sauerstoff-Kreislauf3.3 Der Kohlenstoff-Kreislauf3.4 Der Schwefel-Kreislauf3.5 Der Stickstoff-Kreislauf

4. Treibhauseffekt, globale Erwärmung und Saurer Regen

5. Anwendung in der Schule / Schulrelevanz

1. Die anthropogenen Einflüsse auf die natürlichen Stoffkreisläufe


• 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


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)


Der ökologische Fußabdruck

1 Vereinigte Arabische Emirate

12 ha (enstspr. 16 Fußballfeldern)

2 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)


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.



Quelle: Georg Schwedt



Die Grundbausteine der Erde sind die Elemente, die charakteristisch Stoff-

Kreisläufe aufweisen.

Wasser, Sauerstoff,

Kohlenstoff, Schwefel, Stickstoff


3.1 Der Wasser-Kreislauf

Niederschlag = Verdunstung + Abfluss + Speicherung


Quelle: Marshall Cavendish

97 %

2,1 %

0,6 %

0,001 %


(Quelle: Marshall Cavendish)

Niederschlag = Verdunstung + Abfluss + Speicherung



Abwasserentsorgung in einem Elendsviertel in Manila, Hauptstadt der Philippinen


Das Liebigsche „Gesetz vom Minimum“

besagt, dass das Pflanzenwachstum immer

durch die knappste Ressource eingeschränkt

wird.

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).

Algenwachstum bestimmt durch Phosphatkonzentration im Gewässer

Fällungsreaktion:Fe3+,Al3+ + PO4

3- Fe,AlPO4

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

Demonstration 1: Rotwein entfärben mit Aktivkohle


Auswertung:

Der Rotwein entfärbt sich bei der Behandlung mit Aktivkohle.

Aktivkohle im Elektronen-mikroskop, Ausschnitt ca. 30 µm

(Quelle: http://www.cwaller.de/deutsch.htm?teil4_5_1_luftschadtstoffe.htm~information)

100

80

20

40

60

0

AUS

AN

LaboBib© U/min

250 mL

100

150

50

200

zur Pumpe

50 mL Rotwein5 g Aktivkohle (Pulver)

h·v

3.2 Der Sauerstoff-KreislaufPhotosynthese grüner Pflanzen:

6 CO2 (g) + 6 H2O C6H12O6 (aq) + 6 O2 (g)

3 Die Stoff-Kreisläufe

Lithosphäre 5,5 . 1016 t CO32-, SiO4

4-, SO42-

Atmosphäre 1,3 . 1014 t Disauerstoff (O2)

(Stratosphäre auch

O3 und O)

Versuch Nr. 2:Ozonbildung durch UV-Bestrahlung von Luft

3.2 Der Sauerstoff-Kreislauf

zur Pumpe

Gaswaschflasche mit Fritte, gefüllt mit Iodid-Stärke-Lösung

UV-Lampe

h·v

h·v

Versuchsauswertung:

Reaktionen an der UV-Lampe:

O2 (g) 2 O (g)

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

Versuch Nr. 2:Ozonbildung durch UV-Bestrahlung von Luft


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 N-Kreisläufen 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

3.3 Der Kohlenstoff-Kreislauf3 Die Stoff-Kreisläufe

Quelle: www.uni-kassel.de

Demonstration 2: Vergleich der Absorption von

CO2-Gas und Luft

3.3 Der Kohlenstoff-Kreislauf

Foto vom

Aufbau !!!Versuchsdurchführung:

http://www.schule.provinz.

bz.it/nikolaus-cusanus/fhwbck/

treibhaus.htm

Versuchsauswertung:Die Wärmestrahlen durchdringen den Luftballon,

treffen auf das Temperaturmessgerät auf und geben dabei Energie ab. Die Temperatur steigt an.

Da die Temperatur beim Versuch mit Kohlendioxid weniger ansteigt, folgt, dass CO2 mehr

Wärmestrahlung absorbiert als Luft.

Luft-Ballon CO2-Ballon

ΔT + 1,1 °C + 0,7 °C

CO2-Sequestrierung im Meer3.3 Der Kohlenstoff-Kreislauf

Quelle: http://arch.rivm.nl/env/int/ipcc/pages_media/SRCCS-final/graphics/jpg/large/Figure%20TS-09.jpg

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.


Versuch Nr. 3:Kalkwaschverfahren

AUS

AN

1000

AN

750

U/min

500oC

0

AUS

1500 25050

100

150200

300LaboBib©

zerkleinertes Pyrit (FeS2)

1 g CaCO3 und 100 mL Wasser

pH-Meter

zur Pumpe


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)

3.5 Der Stickstoff-Kreislauf


Verbrennungs-prozesse

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).

Landwirtschaft

Atmosphäre

Lithosphäre Fließgewässer

Abwasserbehandlung

Stickstoff-Fixierung


Anorganisch: N2 (g) + O2 (g) 2 NO (g)

NO (g) + ½ O2 (g) NO2 (g)

Biologisch: N2 (g) + 3 H2 (g) NH3 (g)

4 CO2 (g) + 2 H2O + 2 NH3 (g) CH2NH2COOH (aq) + 3 O2 (g)

Nitrose Gase (T+, C, O)

Globale Stickstoff-Fixierung XY:

Mikrobielle Fixierung: 100 – 200 Mio t/aHaber-Bosch-Verfahren: 82 Mio t/aNOx aus Verbrennungsprozessen: 25 Mio t/a

NOx-Emissionen ausgewählter technischer Verbrennungsprozesse


Verbrennungsprozess NOx-Konzentration im

Abgas [mg/m³]

NOx-Emissionen

[mg/kWh]

Kraftwerksfeuerungen

Steinkohle-Staubfeuerung 1900 – 4000 2300 – 5900

Braunkohlefeuerung 600 – 1000 850 – 1400

Industriefeuerungen

Ölfeuerung 300 – 1000 300 – 1200

Gasfeuerung 100 – 800 85 – 700

Feuerungen Haushalte

Ölfeuerung 80 – 250 80 – 260

Gasfeuerung 160 – 370 135 – 320

Verbrennungsmotoren

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

Der „3-Wege-Kat“


Lambda-Sonde

Pt-beschichteter

Keramik-monolith

elastisches Drahtgeflecht

Hauptverursacher für die in Deutschland jährlich an die Umwelt abgegeben 3 Millionen Tonnen Stickstoffoxide sind Kraftfahrzeuge und Heizkraftwerke.

Stickoxide gehören zu den schädlichsten Abgasstoffen.

Metallgehäuse

Zwischenschicht

katalytisch aktive Schicht

Unverbrannte Kohlenwasserstoffe (CxHy)

und Kohlenmonoxid (CO) werden mit Stickoxiden (NOx) bzw. mit Rest-Sauerstoffzu 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)


1. Katalytische Umwandlung eines NOx/CO-Gasgemischs:

Versuch Nr. 4:Der Autokatalysator

mL

10

0

0 20

40

60

80

mL

10

0

020

40

60

80

PlatindrahtnetzKolbenprober mit NOx-/CO-Gemisch

2. CO2-Nachweis:

Gasgemisch mit CO2 Gesättigte

Ba(OH)2-Lösung

mL

10

0

020

40

60

80

Versuchsauswertung:

1. Katalytische Umwandlung eines NOx/CH4-Gasgemischs:

CH4/NO2: 2 CH4 (g) + 2 NO2 (g) 2 CO2 (g) + N2 (g) + H2O (g) farblos braun farblos, vermischt mit NO2 gelb

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

Kat

Kat


Versuch Nr. 3:Der Autokatalysator


Der natürliche Treibhauseffekt:

Mittlere Temperatur an der Erdoberfläche

ohne klimawirksame Spurenstoffe: - 18°C

Tatsächliche mittlere Temperatur: + 15°C

ΔT = 33°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)


Der verstärkte Treibhauseffekt (anthropogen bedingt):



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) (g)

SO2 (g) + ½ O2 (g) SO3 (g) (katalysiert durch Vanadium, Platin, Sonnenlicht)

H2O + SO3 (g) (g)

H2O + NO (g) + SO2 (g) (g) + N2O (g)


HNO3

H2SO4

H2SO4

werden durch Regen ausgewaschen:


und

Demonstration 3:Vergiftung von Kresse durch Schadgase


Fotos einfügenDurchführung beschreiben,

Kresse herumgeben

5. Schulrelevanz

5. Anwendung in der Schule / Schulrelevanz

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

Auszüge aus dem hessischen Lehrplan:

6. Danke…

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit !!

Anthropogene Einflüsse auf die natürlichen Stoff-Kreisläufe Experimentalvortrag (AC)

Documents

Transcript of Anthropogene Einflüsse auf die natürlichen Stoff-Kreisläufe Experimentalvortrag (AC)