Dipl. Ökol. Nina Harsch

Fachbereich Chemie und Pharmazie – Institut für Didaktik der Chemie

Westfälische Wilhelms-Universität Münster

Luft und Luftbelastung:

Experimente zu den Themen Luft,Treibhauseffekt, Ozon und Saurer Regen

Eine Zusammenstellung

von

Nina HarschUniversität Münster

Deutschland

2011

Lehrerfortbildung

Experimente: Übersicht

ID Experiment

L1 Sauerstoff-Gehalt der LuftO1 Ozon-Erzeugung O2 Ozon-Nachweis mit Indigocarmin

O3a Ozon-Nachweis mit Kaliumiodid und StärkeO3b Ozonabbau durch ChloroformO4 Ozonentstehung und AbbauT1 Treibhauspotential verschiedener GaseT2 Wärmedurchlässigkeit verschiedener GaseT3 Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid in WasserS1 Stickoxid-Erzeugung und NachweisS2 Schwefeldioxid-Erzeugung und NachweisS3 Wirkung von Saurem Regen auf MetallS4 Auftrieb warmer Luft (thermische Verfrachtung)

Experimente: Luft

Sauerstoff-Gehalt der Luft

Durchführung:

1. Weißen Phosphor auf Verbrennungslöffel entzünden

2. Verbrennungslöffel per Zapfen auf Glasrohr befestigen

3. Glasrohr in wassergefüllte Wanne stellen

Beobachtung: Wasser steigt auf 1/5 des Glasrohrvolumens

Deutung: Unterdruck bewirkt Aufstieg des Wassers- Weißer Phosphor verbrennt unter Sauerstoffverbrauch

zu Rotem Phosphor: P4 + 5 O2 → P4O10

- Sauerstoffgehalt im Glasrohr:

a) Vor Verbrennung: 21 % Sauerstoff

b) Nach Verbrennung: – 21 % Sauerstoff Die Verbrennungswärme bewirkt eine Gasausdehnung im Rohr.

Der finale Wasserstand im Rohr wird somit erst nach Abkühlung erreicht.

L1D

ie Luft, Versuch 2,

Educa (2005).

Experimente: OzonO1

Ozon-Erzeugung

Ziel:

O2 → 2 O*

O* + O2 → O3

Variante A: O2 → 2 O*

UV-C-Strahlung (ideal: 184,9 nm)

Quecksilberdampf-

Niederdrucklampe

λ

Variante B: O2 → O2+ + e– → 2 O*

Sauerstoff-Ionisierung durch Elektrophorese / Korona-Entladung- Elektronenwanderung durch Elektrisches Feld (Draht → Gitter)

- Sauerstoff wird darüber geleitet - Große Feldstärke zwischen Draht und Gas- Sauerstoffmoleküle werden ionisiert- Ozonisator:

Jürgen Neppe Electronic Sources, Thailand (Verkauf über Ebay).

Nach: w

ww

.elektro-wissen.de (verändert)

Experimente: Ozon

Ozon-Nachweis mit Indigocarmin

Indigocarmin-Lösung:- nicht lange haltbar, da lichtempfindlich- blau gefärbt- 0,03 mg Indigocarmin auf 75 ml aqua dest _____(bei höherer Konzentration wäre die Färbung zu stark)

Beobachtung: Einleiten von Ozon bewirkt Entfärbung

Deutung: Ozon spaltet Doppelbindungen

O2

PARCHMANN, I.: Behandlung des Themas Ozon im Chemieunterricht mit Hilfe anschaulicher Experimente (Versuch 3). Plus Lucis, 1997.

Vergleiche auch:Spaltung von Gummidurch Ozon

Experimente: Ozon

Ozon-Nachweis mit Kaliumiodid und Stärke

Variante A: Filterpapier (angefeuchtet)

Variante B: Lösung (lagerbar)

1. 0,5 g Stärke in 100 ml Wasser aufkochen und abkühlen

2. 0,5 g Kaliumiodid hinzugeben, abfiltrieren

Beobachtung: Kontakt mit Ozon bewirkt Blaufärbung

Deutung:

Ozon ist ein starkes Oxidationsmittel und oxidiert Iodid zu Iod.

Iod bildet zusammen mit Stärke einen blau-braunen Komplex.

O3 + H2O → H2O2 + O2

2 I– + H2O2 → I2 + 2 OH–

Leh

rmitt

el R

ein

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, A

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r. 58

0128

5

vorher:

nachher:

O3a

Experimente: Ozon

Ozonabbau durch Chloroform

O3b

Cl● + O3 → O2 + ClO

ClO + O* → O2 + Cl ●

CHCl3 → Cl● + CHCl2●λ

Durchführung: 2 Kolben (O3, CHCl3), Nachweisreagenz

1. Ozonnachweis positiv: Kaliumiodid-Stärke-Lösung blau2. Chloroform: Erwärmung (Föhn) flüssig → gasförmig3. Chloroform + Ozon: Ozonabbau durch Chlor-Radikale4. Ozonnachweis negativ: Kaliumiodid-Stärke-Lösung farblos

1 Chlor-Radikal kann bis zu

100.000 Ozonmoleküle

spalten!

Experimente: Ozon

Ozonentstehung und Abbau

Durchführung: (in abgedunkeltem Raum)

1. Ozonisator und UV-Lampe einschalten

2. Sauerstoff durch Ozonisator leiten (5 min)

3. Chloroform durch Ozonisator leiten

Beobachtung:

a) Sauerstoff-Einleitung: graue „Wölkchen“ auf DC-Platte

b) Chloroform-Einleitung: kein Effekt auf DC-Platte

Deutung:

1. Ozonisator: Sauerstoff wird in Ozon umgewandelt

2. Ozon absorbiert UV-B-Strahlung der Lampe => Schatten auf DC-Platte

3. Ozonisator: Chloroform baut Ozon ab

4. UV-B-Strahlung gelangt komplett zur DC-Platte => keine Schatten mehr

O4

Nach: TAUSCH, Online-Materialien zum Thema Ozon, Versuch 1.1, Universität Duisburg (verändert)

Experimente: Treibhauseffekt

Treibhauspotential verschiedener Gase

Durchführung:

1. Mehrere Rundkolben mit verschiedenen Gasen befüllen

z.B.: N2, O2, CO2, O3, NOx, SO2, Luft (normal / gesättigt)→ wasserdampfgesättigte Luft: einige Tropfen H2O in Kolben geben und schütteln

2. Kolben verschließen und mit Infrarotlampen bestrahlen

3. Temperaturverläufe in den Kolben über 5 min messen

Beobachtung: Temperaturänderung je Gas unterschiedlich

T1

Deutung:

Treibhausgase absorbieren

Wärmestrahlung. Dadurch

erhöht sich die Temperatur

in den jeweiligen Kolben um

bis zu 5 °C.

Experimente: TreibhauseffektT2

Wärmedurchlässigkeit verschiedener GaseAufbau:- Papprohr beidseitig dicht mit

Frischhaltefolie verschließen- Oberseite: Evtl. Löcher für

Gas-Einlass und Gas-Auslass- Heizplatte: Volle Leistung

Durchführung:

1. Blindprobe: IR-Messung mit und ohne Rohr (50 cm Distanz) Beide Werte liegen bei rund 70°C, Rohr und Folie haben somit keinen störenden Einfluss

2. Rohr mit jeweils zu testendem Gas befüllen

3. Rohr verschließen und IR-Durchlässigkeit je Gas messen

Beobachtung: IR-Durchlässigkeit je Gas unterschiedlich

Deutung: Treibhausgase absorbieren Wärmestrahlung. Dadurch fällt

die IR-Messung hinter dem Rohr bei Treibhausgasen geringer aus.

Beispiel CO2: ΔT = 10°C

Experimente: Treibhauseffekt

Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid in Wasser

Durchführung:

1. Wassergefüllten Messkolben mit Öffnung nach unten in wassergefüllten Behälter hängen (kein Bodenkontakt)

2. Brausetablette unter Kolbenöffnung legen

3. Nach Verbrauch: Weitere Brausetablette

Beobachtung:- Tablette 1: Wasserstand im Kolben sinkt kaum- Tablette 2: Wasserstand im Kolben sinkt stark

Deutung:

Kohlenstoffdioxid löst sich in Wasser: CO2 + H2O → H2CO3

Tablette 1: Es kann noch viel CO2 im Wasser gelöst werden

Tablette 2: Wasser ist weitgehend gesättigt, d.h. kaum Lösung

Variante: Unterschiedliche Temperaturen. Wärmeres Wasser: Weniger CO2 in Lösung.

T3

Experimente: Saurer Regen

Stickoxid-Erzeugung und Nachweis

S1

Erzeugung:

1. Halbkonzentrierte Salpetersäure auf Kupferspäne tropfen. Es entstehen Stickstoffmonoxid, Wasser und Kupfer(II)-Nitrat (blau): 3 Cu + 8 HNO3 → 2 NO + 4 H2O + 3 Cu(NO3)2

2. Stickstoffmonoxid (farblos) reagiert mit Luftsauerstoff zu Stickstoffdioxid (rotbraun): 2 NO + O2 → 2 NO2

Nachweis: Saltzmann-Reagenz (dunkel und kühl mehrere Wochen lagerbar)

Bei Einleitung von Stickoxiden entsteht ein roter Azofarbstoff

Cu

HNO3

Saltzmann

1. 0,05 g N-(1-Naphthyl)-ehtylendiamin-dihydrochlorid und 5 g Sulfanilsäure mit etwas aqua dest in 1 l Messkolben spülen.

2. 50 ml konzentrierte Essigsäure dazugegeben und mit aqua dest bis Eichmarke auffüllen

3. 30 min rühren (ohne Heizung), bis eine farblose, klare Flüssigkeit vorliegtN

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Experimente: Saurer Regen

Schwefeldioxid-Erzeugung und Nachweis

S2S

ulfur S

8 in 3D.

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Erzeugung:

Etwas Schwefel auf einem Verbrennungslöffel entzünden.

Es entstehen Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid.

S8 + 8 O2 → 8 SO2

2 SO2 + O2 → 2 SO3

Nachweis:

Universalindikator

in Wasser lösen.

Rotfärbung zeigt

Säure-Bildung an.

SO2 + H2O → H2SO3

SO3 + H2O → H2SO4

pH Färbung

0-3 Stark sauer

3-6 Sauer

7 Neutral

8-11 Basisch

11-14 Stark basisch

Experimente: Saurer RegenS3

0,1-molar 0,5-molar

Wirkung von Saurem Regen auf Metall

Durchführung:

1. Schwefelsäure auf Watte geben, Eisenteile darauf legen

2. Einige Tage verschlossen im Einmachglas stehen lassen

Beobachtung: Bildung einer rot-braunen Oxidschicht (Rost)

Deutung: Säurekorrosion.

Die Protonen der Säure

entziehen dem Metall

Elektronen:

Fe + 2 H3O+

Fe2+ + 2 H2O + H2

Das Metall wird oxidiert.

Experimente: Saurer Regen

Auftrieb warmer Luft (thermische Verfrachtung)

Durchführung:

1. Teebeutel aufschneiden, entleeren und auffalten

2. Mit Öffnung nach oben aufstellen und oben anzünden

Beobachtung: Nach kurzer Zeit steigt der Beutel auf

Deutung:

Warme Luft (Beutel) hat eine geringere Dichte, als kalte Luft

(Umgebung). Es entsteht ein natürlicher Auftrieb.

Aufstieg des Beutels: Auftriebskraft > Gravitationskraft

S4