Experimentalvortrag Anorganik BODEN [Kompatibilitätsmodus] · DefinitionDefinition...

GliederungGliederung

1 D fi iti B d1 Definition Boden

2 Bodenentwicklungg

3 Lebensraum Boden

• Fauna

• FloraFlora

4 Stoffkreislauf

5 Bodeneigenschaften

6 Boden im Unterricht6 Boden im Unterricht

Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtDefinition

1 Definition• Unter Boden versteht man die obere,

lockere belebte Verwitterungsschicht derlockere, belebte Verwitterungsschicht der Erdkruste.

• Standort für Pflanzen & Basis für vielfältige Nahrungsnetze.

Lebensgrundlage für alle Lebewesen der ErdeErde

Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtDefinition

1 DefinitionAtmosphäreAtmosphäre

Hydrosphäre BiosphärePedosphäre

Lith häLithosphäre

Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtBodenentwicklung

2 Bodenentwicklung• Böden entstehen aus Gesteinen durch den

Einfluss verschiedener Faktoren:Einfluss verschiedener Faktoren:

• Ausgangsgestein (G)g g g ( )

Klima (K)

Vegetation & Bodenorganismen (O)

Oberflächenrelief (R)Oberflächenrelief (R)

menschliche Einwirkungen (M)

Zeit (Z)


2 Bodenentwicklung

B = f (G, K, O, R, M) · Z


2 Bodenentwicklung• Bodenbildende Verwitterungsvorgänge

Nieder-schlag

chemische

schlag

GelösteStoffe



physikalische

WindWasser Tempe-

ratur

Nieder-schlag

chemische

schlag

GelösteStoffe

D t ti 1Demonstration 1

Frostsprengungp g g



physikalische

WindWasser Tempe-

ratur

Nieder-schlagbiologische

chemische

schlagg

Pflanzen

GelösteStoffe

D t ti 2Demonstration 2

Wurzelsprengkraftp g


2 Bodenentwicklung


2 Bodenentwicklung

• Bodenzusammensetzung: 25 % Luft

45 % mineralische 7 % mineralische

Substanz

%organische

Substanz

23 % Wasser

Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtFauna- Lebensraum

3 Lebensraum Boden - FaunaMikro-organismen

1033

organismenMikro-fauna

1021

faunaMeso-fauna

1015

faunaMakro-Fauna

180FaunaMega-fauna

100fauna

• Fläche von 1 m2 und 30 cm Tiefe


Tätigkeit der Bodenorganismen

• Bodenorganismen bauen organischeBodenorganismen bauen organische Ausgangsprodukte zu anorganischen Endprodukten um

Mineralisierung = Abbauprozess

• Freisetzung von CO2g 2

V h 1Versuch 1

Bodenatmungg


Titration" " + -

2 (l) 2(aq) 2 3 (aq) 3 (aq)H O +CO H CO H +HCO

+ -H + OH H O(aq) (aq) 2 (l)H + OH H O

- - 2-3 (aq) (aq) 2 (l) 3 (aq)HCO +OH H O +CO

- - -2 (CO ) (OH ) (OH ) (OH )- - -2 0 un2n(CO )= n (OH ) - n (OH )= n(OH )


3 Lebensraum Boden- Fauna

• Bodenorganismen scheiden eine Vielzahl von Enzymen aus

Katalase

• setzt H2O2 um

• Umsatzzahl von Molekülen/min eines d ff k b h

65 10⋅der effektivsten Enzyme überhaupt


3 Lebensraum Boden- Fauna

• Katalase enthält 4 Porphyrin- Häm-GruppenGruppen

tetrameres Enzymtetrameres Enzym

Versuch 2Versuch 2

KatalasetestKatalasetest


Katalasewirkung-1 -2 0

Katalase2(aq) (l) 2(g)2 22 H O 2H O + O⎯⎯⎯⎯→ ↑2(aq) (l) 2(g)2 22 H O 2H O + O→ ↑

Katalasewert (mL O2/min) Bodenbeurteilung0 - 5 sehr schlecht6 - 14 schlecht15 25 befriedigend15 25 befriedigend

26 – 49 gut50 & höher sehr gut50 & höher sehr gut


Katalase- Enzym

+3 -1 + +4 -2

Bildung des Eisen(IV)-Porphyrinradikalkations:•+3 1 + +4 2

22 2Enz(Por-Fe ) +H O Enz(Por -Fe=O) +H O•

→

Rückbildung des Ferriporphyrins:+ +4 -1 +3 0 -2

2 22 2Enz(Por -Fe=O)+H O Enz(Por-Fe )+O H O•

→ +


MechanismusRed. Form,

Ruhezustand

H2O2H2O; O2

2 e- Transfer 2 e- Transfer

H2OH2O2

Ox FormOx. Form,Aktives Enzym

Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtLebensraum- Flora

3 Lebensraum - Flora

• Wurzeln der Pflanzen scheiden aktiv Protonen aus

• Sie besitzen spezielle Protonenpumpen

• Der pH-Wert in unmittelbarer Umgebung der Wurzel ist um 1-2 pH Einheiten niedriger als im restlichen Bodenim restlichen Boden

Demonstration 3Demonstration 3

Säureabgabe derSäureabgabe der WurzelnWurzeln


Säureabgabe von Wurzeln

6,55,8 7,6

pH Skala BTB


Nährstoffaufnahme

• Makronährelemente:

C, O, H, N, P, S, K, Ca, Mg, Fe

• Mikronährelemente:

Mn, Zn, Cu, B, ClMo, Ni, Cl


Nährstoffaufnahme

N Aminosäuren → Proteinen

P Nucleinsäuren, Adenosintriphosphat p p(ATP)

Mg Zentralatom des Chlorophylls aktiviertMg Zentralatom des Chlorophylls, aktiviert viele Enzyme

Fe Bestandteil der prosthetischen Gruppen verschiedener Enzyme (u.a.Katalase), wichtig für die Chlorophyllsynthese

Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtStoffkreislauf

4 Stickstoffkreislauf

• N2-gehalt in der Atmosphäre: 78%

nicht nutzbar für die Pflanzen!

Stickstofffixierende Bakterien

• Im Boden liegt Stickstoff zu 95% in• Im Boden liegt Stickstoff zu 95% in organischer Form vor


4 Stickstoffkreislauf2N

biologisch

Denitrifikation

biologisch

technisch

Ammonifikation

Nitrifikation3 3

3 4N H N H− −

+3

2N O+

−5

3N O+

− Auswaschung


4 Stickstoffkreislauf

• Haber Bosch:katalytisch, 500 °C, 200 bar

3H +N 2NH +92kJ

K öll h b kt i

2(g) 2(g) 3(g)3H +N 2NH +92kJ

• Knöllchenbakterien:enzymatisch, Umgebungstemp., Normaldrucky , g g p ,

Nitrogenase- +2N +8e +8H +16 ATP ⎯⎯⎯⎯⎯→

3 2 i 2NH +H +16ADP+P

V h 3Versuch 3

Nitratnachweis


Nitratnachweis

+5 +22+ + 3+- 2+ + 3+

3 (aq) (aq) (aq) (aq) (aq) 2N O +3Fe +4H 3Fe +N O +2H O→

+2 +2 +22+

(aq) 2 6 2 5 (aq) 2N O + Fe (H O) Fe (H O) (NO) +H O⎡ ⎤ ⎡ ⎤→⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦brauner Ring


Gesetz des Minimums

Justus von LiebigJustus von Liebig,1850

Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtEigenschaften

5 Bodeneigenschaften

• Tonminerale bilden sich durch die Verwitterung von Silicatgesteinen

• Die Grundbaueinheit der Silikate:


Tonminerale

• Isomorpher Ersatz des Si4+-Ions durch Al3+

negative Überschussladung

• Sie ähneln den Schichtsilicaten• Sie ähneln den Schichtsilicaten

• Schichten von (Si, Al)O4- Tetraedern & ( , ) 4

(Al, Mg, Fe)O6-Tetraedern


Tonminerale

Tetraederschicht

ZwischenschichtkationenK+

O2-Tetraederschicht

Si4+/ Al3+

OH-

OktaederschichtOH

Al3+

Tetraederschicht

V h 4Versuch 4

il i kFilterwirkung von BödBöden


Filterwirkung von BödenBr Br

O

Br Br

OHO N

Br Br

COO-

SN NH3C CH3

COOCH3 CH3

Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften Unterricht

B d i h ft

Eigenschaften

Bodeneigenschaften• Die Bodenmatrix ist negativ geladen

• Neben Tonmineralien sind auch Huminstoffe negativ geladennegativ geladen

Humusbildung ist ein AufbauprozessHumusbildung ist ein Aufbauprozess

A P tik l F t• Anorg. Partikel + org. Fragmente

Ton- Humus- Komplexe


Bodeneigenschaften

• Boden ist ein Kationenaustauscher

Reservoir für Pflanzennährstoffe

verhindert die Auswaschung aus dem Bodeng

bindet jedoch auch Schwermetallkationenbindet jedoch auch Schwermetallkationen


Bodeneigenschaften

Kationenaustausch--- +

- Kationenaustausch-kapazität:-

- ++

+Tonmineralien: 0,2 – 0,8 mol/kg-

-

- + ++

+

Org. Substanzen:1,5 – 5 mol/kg-

-

-

+

+-

-

++

+Sternschicht

Elektrische DoppelschichtDiffuse Ionenschicht

Versuch 5Versuch 5

Ionenaustausch


Verdrängungsreaktion

+3+ H O

Ca2+

Na+

Mg2+

K+

Na+Fe3+ Ca2+

Na+Mg2+

K+

Na+Fe3+

H3O+3+ H O

Ca2+

NaAl3+

Fe3+Ca2+

K

Ca2+Al3+

Fe3+Ca2+

K+H3O

Ca2+M 2+ Fe3+ Ca2+

M 2+ Fe3+K+K+

2

Na+

Al3+

Mg2+

Ca2+

K+

Na+

Ca2+

Ca

Na+

Al3+

Mg2+

Ca2+K+Na+

K+K+

++ K

2 2

Ca2+Fe3+

CaFe3+K+

K+K+

2+ 2-(aq) 2 4 (aq) 2 4(s)Ca +C O CaC O


7 Boden ein Thema für denUnterricht

7 Boden- ein Thema für den ChemieunterrichtChemieunterricht

• Erlernen chemischer Basiskonzepte

• Fachübergreifender Aspekte (Biologie, Geographie)Geographie)

Lebensweltbezug• Lebensweltbezug

Sensibilisierung für Umweltbelange• Sensibilisierung für Umweltbelange


L h l b (G8)

Unterricht

Lehrplanbezug (G8)

• 9. Klasse

W l R kti tWasser als Reaktionspartner

A fb d F kti Böd• Aufbau und Funktion von Böden

• Bodenuntersuchungen:• Bodenuntersuchungen:

Nachweis von MineralsalzenNachweis von Mineralsalzen

IonenaustauschkapazitätIonenaustauschkapazität

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