Schulorientiertes Experimentieren Leitung: Prof. Dr. Harsch, Musli WS 2007/2008 Luftverschmutzung Ralf Brauer, Sonja Herglotz.

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1 Schulorientiertes Experimentieren Leitung: Prof. Dr. Harsch, Musli WS 2007/2008 Luftverschmutzung Ralf Brauer, Sonja Herglotz

2 Eingliederung der Unterrichtseinheit
Eingliederung in die Klassenstufe 10/11 Es sollten bekannt sein: Zusammensetzung der Luft (Aufbau der Erdatmosphäre) Atome und Moleküle Redox-Reaktionen Säure-Base-Reaktionen Die hier vorgestellte Unterrichtsreihe sollte in die Klassenstufe 10/11 eingegliedert werden, ggf. auch in Form eines Projekts im Rahmen einer Projektwoche. Um den großen Themenbereich erst einmal zu beschränken und die inhaltliche Gliederung zu vereinfachen, soll sich die Reihe primär dem Thema Auto und Kfz-Abgasen widmen. Deshalb ist diese Reihe auch leicht erweiterbar und kann für größere Projekte genutzt werden. Um dieses Thema inhaltlich vertiefend behandeln zu können, sollten den Schülern grundlegend die Zusammensetzung der Luft, der Aufbau der kleinsten Teilchen (Atome und Moleküle), Redox-Reaktionen und Säure-Base-Reaktionen, bekannt sein. Ausgehend von einem allgemeinen Verständnis von Luftverschmutzung und Luftschadstoffen sollen die Schüler sich im Verlauf der Unterrichtsreihe vertiefend mit den einzelnen Schadstoffen von Autoabgasen und deren Einfluss auf Mensch und Umwelt beschäftigen. Abschließend soll durch einen kleinen Einblick in die Maßnahmen zur Verminderung von Abgasen das Umweltbewusstsein und die Bereitschaft zur Mithilfe geschärft werden.

3 Aufbau der Unterrichtseinheit
Einstieg in die Unterrichtseinheit Hauptverursacher der Luftverschmutzung Vorstellung der Luftschadstoffe Folgen der Luftverschmutzung Verminderung der Luftverschmutzung

4 Einstieg

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8 Einstieg 1. Stunde: - Erarbeitung einer Mind-Map zum Thema Luftverschmutzung - Vorstellung der Hauptverursacher von Luftschadstoffen - Einschränkung auf Kfz-Abgase - Forscherauftrag: Wie viel CO2 erzeugt unser Auto?

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11 Hauptverursacher Hauptverursacher: Bei den Luftverunreinigungen wird zwischen Emissionen und Immissionen unterschieden: Luftschadstoffe gelangen als Emissionen in die Atmosphäre (lat. emissio: das Herausschicken, Ausströmen lassen). Sie werden z.B. von Heizkraftwerken, von Müllverbrennungsanlagen und Privathäusern oder von Autos in die Luft abgegeben. Sie wandeln sich unter Einwirkung von Licht, Wärme, Luftfeuchtigkeit und chemischen Luftbestandteilen in der Luft um und verteilen sich durch den Transport in der Luft über Ländergrenzen hinaus, wo sie weit von ihrem Ursprung entfernt als Immissionen nieder gehen können (lat. immissio: das Hineinlassen) z.B. als Ablagerung auf der Bodenoberfläche. Diese so genannten Depositionen können nass (durch Niederschläge bedingt) oder trocken sein. Die tatsächlich auf den Menschen in seinem Lebensbereich einwirkenden Schadstoffe sind also die Immissionen! Bei den Luftverunreinigungen wird zwischen Emissionen und Immissionen unterschieden: Luftschadstoffe gelangen als Emissionen in die Atmosphäre (lat. emissio: das Herausschicken, Ausströmen lassen). Sie wandeln sich in der Luft um und verteilen sich durch den Transport in der Luft über Ländergrenzen hinaus, wo sie weit von ihrem Ursprung entfernt als Immissionen nieder gehen können (lat. immissio: das Hineinlassen)

12 Quellen von Emissionen
Die Quellen von Emissionen können in drei Gruppen eingeteilt werden: man unterscheidet natürliche Emissionen, Emissionen, die durch den Eingriff des Menschen in die Natur verursacht werden und Emissionen, die direkt im Ergebnis menschlicher Tätigkeit auftreten (anthropogene Emissionen). Natürliche Emissionen: Bei Vulkanausbrüchen gelangen riesige Mengen an Kohlenstoffdioxid, Schwefeldioxid, Chlorwasserstoff und Fluorwasserstoff in die Atmosphäre. Daneben werden auch noch organische Stoffe, wie Methan, Alkohole, Aldehyde und FCKW freigesetzt. Asche und Staub von Vulkanen enthalten meist Arsen-, Quecksilber- und Fluorverbindungen. Bsp.: Vulkan El Chinchon (Mexiko 1982) 500 Mio t Aschestaub, t HF, t HCl, rad. Thorium In den sehr heißen Entladungszonen von Blitzen entstehen Stickstoffoxide, und durch die Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen (in Sümpfen, im Meeresplankton und den Därmen von Tieren) bilden sich unter anderem Methan, Monochlormethan, Schwefelverbindungen, Stickstoffoxide und Kohlenstoffdioxid. Die weltweit gehaltenen ca. 1,3 Milliarden Rinder erzeugen etwa 12% der weltweiten Methanemissionen. Man unterschiedet natürliche und durch den Menschen verursachte Emissionen Natürliche Emissionen Vulkanismus Gewitter Stoffwechsel bei Tieren u. Pflanzen Verwesung Sandstürme uvm.

13 Anthropogene Emissionen
Die Hauptquelle ist mit 43,5% die Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Energiegewinnung. I n Industrie und Haushalt, sowie bei Verbrennungsvorgängen zum Antrieb von Fahrzeugen werden etwa 50% der anthropogenen Schadstoffemissionen erzeugt. Dabei fallen vor allem Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Schwefeldioxid und Stickstoffoxide an. Auch die industrielle Stofferzeugung, Kunststoffherstellung und Prozesse mit Einsatz von Chemikalien (Färberei, chem. Reinigung) liefern weitere Emissionen. Die Industrieländer emittieren weltweit etwa 80% aller Schadstoffe. Die USA erzeugen beispielsweise pro Kopf doppelt so viel Kohlenstoffdioxid wie Europa und zwanzigmal mehr als die Einwohner Indiens. Das sind bei 5% der Weltbevölkerung etwa 25% der weltweiten Kohlenstoffdioxidkonzentration. Bei der Industrie ist der CO2-Ausstoß von deutlich gesunken, bei den privaten Haushalten auch gesunken, aber viel weniger (Diskussion der Gründe: Zahl der elektrischen Haushaltsgeräte steigt, Zahl der Einzelhaushalte steigt, Zahl der Geräte mit Stand-by-Funktion nimmt zu). Beim Verkehr ist der CO2-Ausstoß im Zeitraum sogar noch angestiegen! Gründe: Anteil spritschluckender Autos wächst (Geländewagen), LKW-Verkehr steigt an, Gesamtzahl der Kfz-Zulassungen steigt, Zunahme des Flugverkehrs (Billigflüge) => Spezialisierung auf den Verkehr/Autoabgase!

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15 Spezialisierung auf Autoabgase
Forscherauftrag: Wie viel CO2 erzeugt unser Auto? Fragt Eltern und Geschwister, wie viele Kilometer ihr Auto im vergangenen Jahr gefahren wurde (km/J) und wie viel Liter Benzin oder Diesel es pro 100 Kilometer durchschnittlich verbraucht hat (BV). Tragt die Werte in die Tabelle ein und ergänzt den Emissionswert (se) für den entsprechenden Motortyp! Den CO2-Ausstoß errechnet ihr mit der Formel: S = km/J  BV  seMotortyp/100

16 Beispiele Ottomotor: seOtto = 2,32 kg CO2/l,
Auto Kilometer pro Jahr (km/J) Verbrauch in l/100 km (BV) Benziner oder Diesel? CO2-Aus-stoß pro Liter (se) CO2-Aus-stoß pro Jahr in kg VW Lupo 12.500 3,0 Benziner 2,32 kg/l 870 kg/Jahr Opel Astra (1,4 l, 90 PS) 6,3 Ford Fiesta (1,4 l, 68 PS) 4,4 Diesel Opel Zafira (1,6 l, 97 PS) 4,98 kg Erdgas 2. Stunde: - Auswertung des Forscherauftrags - Sammeln anderer Schadstoffe aus Autoabgasen - Experiment: Nachweis von NOx in Auspuffgasen - Vorstellung der Luftschadstoffe in Autoabgasen - Hausaufgabe : Literatursuche für die Gruppenarbeit "Steckbrief zu einem Luftschadstoff" VW Lupo: ,0 kg CO2/Jahr Opel Astra: 1827,0 kg CO2/Jahr Ford Fiesta: 1446,5 kg CO2/Jahr Opel Zafira: 1388,2 kg CO2/Jahr Zusatz: CO2-Ausstoß bei der Bahn und beim Flugverkehr findet man im Internet: => Umweltvergleich => Emissionsrechner Ottomotor: seOtto = 2,32 kg CO2/l, Dieselmotor: seDiesel = 2,63 kg CO2/l, Erdgasmotor: seErdgas = 2,23 kg CO2/kg Erdgas Formel: S = km/J  BV  seMotortyp/100

17 Nachweis von NOx in Auspuffgasen
Nachweis von NOx mit dem Saltzmann-Reagenz: Das Reagenz muss frisch hergestellt und nach der Entnahme stets wieder verschlossen werden, da es leicht mit den Stickoxiden aus der Luft reagiert. Es ist umstritten, ob Naphthyl-(I)-amin krebserregend ist. Alternativ können N-[Naphthyl(1)]-ethylen-diammoniumdichlorid oder N-[Naphthyl(1)]-ethylen-hydrochlorid verwendet werden. Beim Einleiten der Abgase mit Stickoxiden in dest. Wasser entsteht (durch Disproportionierung) Salpetersäure (HNO3) und Salpetrige Säure (HNO2): 2 NO2 + H2O → HNO3 + HNO2 Die sich bildenden Nitritionen (NO2-) können mit dem Saltzmann-Reagenz durch eine Farbreaktion nachgewiesen werden. Nitrit reagiert in saurer Lösung zum Nitrosylkation: NO H+ → NO+ + H2O Durch das Nitrosylkation werden Sulfanilsäure und Naphtyl-(1)-amin zu einem rotvioletten Azofarbstoff gekuppelt: Zunächst findet ein Diazotierungsreaktion statt, bei der aus einem primären Amin ein Diazoniumion entsteht. Dann folgt eine elektrophile Substitution, bei der das Diazoniumion an einen Aromaten gekoppelt wird. Diese Reaktion nennt man Azokupplung. Es entsteht ein Azofarbstoff, dessen Farbtiefe dem Stickstoffoxidgehalt proportional ist. Nachweis von NOx in Auspuffgasen Geräte: Luftballon oder Plastiktüte, Kolben oder großes Reagenzglas mit durchbohrtem Stopfen und Glasrohr Chemikalien: Saltzmann-Reagenz (0,5 g Sulfanilsäure und 0,005 g N-(Naphthyl)-ethylendiamin-hydrochlorid in 5 ml Eisessig lösen, mit 100 ml dest. Wasser auffüllen) Durchführung: Die Autoabgase werden in einem vorgedehnten Luftballon oder mit einer Plastiktüte aufgenommen und in einen Kolben mit dem entsprechenden Reagenz eingeleitet. Beobachtung: Die Lösung färbt sich rosa.

18 Luftschadstoffe Die Abgase eines Autos bestehen vor allem aus Stickstoff, Wasserdampf, Sauerstoff und Wasserstoff. Von 100 L Abgas sind etwa 10 l Schadgase. Auswertung der Tabelle: Was bedeuten die oben stehenden Angaben? Warum werden diese Stoffe als Luftschadstoffe bezeichnet? Was bewirken sie? Luftschadstoffe: Die Luft kann verschiedene Verunreinigungen enthalten: etwa 10% sind Staub und fast 90% sind gasförmige Verbindungen. Von ihnen belasten Kohlenstoffmonoxid, Schwefeldioxid, Stickoxide und Kohlenwasserstoff-Verbindungen die Atmosphäre am stärksten. Auch Kohlenstoffdioxid als Treibhausgas ist sehr schädlich! => Steckbriefe der Stoffe Zusammensetzung der schädlichen Auspuffgase (Ottomotor) CO2 87,6 Vol% CO 10,3 NOx 0,6 SO2 0,06 CH 1,07 Aldehyde 0,4

19 Kohlenstoffdioxid 3. und 4. Stunde - Erstellen der Steckbriefe in Form von Plakaten - Vorstellen der Steckbriefe der einzelnen Luftschadstoffe Diese Doppelstunde dient der Erarbeitung der wesentlichen Merkmale der vier Schadstoffe Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid, Schwefeldioxid und Stickstoffdioxid, der Sicherung des Ergebnisses und dessen Vorstellung. Zu Beginn der ersten Stunde finden sich die Schüler in ihren Gruppen zusammen und arbeiten gemeinsam an ihrem Poster zu dem entsprechenden Luftschadstoff. Bei dieser Sozialform kann der Lehrer gezielt im Hintergrund bleiben und allerhöchstens in Problemfällen beratende Funktion einnehmen, da durch den Arbeitsauftrag schon deutlich werden muss, was genau herausgearbeitet werden soll. (Beispielsweise kann vorgegeben sein, dass Atom oder Molekül, Summenformel, Molare Masse, Dichte, evtl. Schmelz- und Siedepunkt und die Eigenschaften der Gase bei der Ausarbeitung angegeben werden müssen...) In der zweiten Stunde stellen die einzelnen Gruppen ihren Schadstoff den anderen Schülern der Klasse vor. Die entstandenen Plakate können im Chemieraum aufgehängt werden, damit im weiteren Verlauf der Unterrichtsreihe, wenn die Folgen der Luftverschmutzung besprochen werden, darauf zurückgegriffen werden kann. Kohlenstoffdioxid ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff Summenformel CO2 Molare Masse 44 g/mol Dichte 1,98 kg·m–3 Schmelzpunkt –56,6 °C Siedepunkt –78,5 °C (Sublimation) CO2 ist ein farbloses, geruchloses und ungiftiges Gas CO2 ist nicht brennbar (Verwendung in Feuerlöschern) Es entsteht durch die Verbrennung von Kohlenstoff In Wasser löst es sich unter Bildung von Kohlensäure:   CO2  +  H2O → H2CO3   Nachweis: Kalkwasserprobe CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O

20 Kohlenstoffdioxid CO2 ist ein lebenswichtiger Schutzschild: CO2 ist für langwellige Wärmestrahlen "undurchlässig" und verhindert so, dass die auf die Erdoberfläche einfallende Sonnenenergie wieder durch Wärmeabstrahlung in den Weltraum verloren geht. Die vom Menschen verursachte Erhöhung der Treibhausgase durch Verbrennen fossiler Rohstoffe verursacht eine nachteilige Verstärkung dieses Effekts. Eine globale Klimaerwärmung mit katastrophalen Auswirkungen ist die Folge! Durch Assimilation wird es zusammen mit Wasser von Pflanzen mit Hilfe der Sonnenenergie bei der Photosynthese in energiereichere Kohlenhydrate überführt, wobei Sauerstoff frei wird. CO2 dient damit als Grundsubstanz zum Aufbau aller organischen Verbindungen. Von tierischen Organismen werden Kohlenhydrate als energieliefernde Substrate für deren Stoffwechsel aufgenommen, zu CO2 und Wasser abgebaut und durch Atmung an die Außenluft abgegeben bzw. in Biomasse umgewandelt. In verdünnter Form mit Luft ist Kohlenstoffdioxid völlig ungiftig. Zu hohe Gehalte in der Atemluft sind jedoch gefährlich. Bei Volumenkonzentrationen zwischen 3-5% beginnt man schnell zu atmen. Dieses Phänomen der Hyperventilation wird in Wiederbelebungsgeräten oder bei Kohlenstoffmonooxidvergiftungen bewusst ausgenutzt, um das Atmungszentrum zu beschleunigen. Ab einer Konzentration von 6% besteht aber die Gefahr der Bewusstlosigkeit, noch höhere Konzentrationen wirken tödlich. CO2 ist mit ca. 0,04% natürlicher Bestandteil der Erdatmosphäre CO2 verhindert, dass die auf die Erdoberfläche einfallende Sonnenenergie wieder durch Wärme-abstrahlung in den Weltraum verloren geht Die vom Menschen emittierten Treibhausgase verursachen eine nachteilige Verstärkung dieses Effekts → Treibhauseffekt In verdünnter Form mit Luft ist Kohlenstoffdioxid völlig ungiftig. Zu hohe Gehalte in der Atemluft sind jedoch gefährlich.

21 Kohlenstoffmonoxid Kohlenstoffmonoxid (CO) ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff. Es ist ein reiz-, farb- und geruchsloses Gas. Es entsteht bei unvollständiger Verbrennung von organischen Verbindungen: CO selbst ist brennbar und verbrennt mit blauer Flamme zusammen mit Sauerstoff zu CO2. Hochentzündlich! CO wirkt gesundheitsgefährdend, da es die Sauerstoffaufnahme des Blutes verhindert: Die toxische Wirkung beruht auf der Bindung an den roten Blutfarbstoff (Hämoglobin) anstelle des Sauerstoffs (es bindet etwa 210-mal stärker an Häm als O2) . Über Herzklopfen, Schwindel, Kreislaufkollaps und Atmungsstörungen können erhöhte Einwirkungen von Kohlenstoffmonoxid zum Tod durch Ersticken führen. Giftig! Kohlenstoffmonoxid ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff Summenformel CO Molare Masse 28 g/mol Dichte 1,25 kg·m−3 Schmelzpunkt −205,07 °C Siedepunkt −191,55 °C CO ist ein farb- und geruchsloses Gas Hochentzündlich + giftig Es entsteht bei unvollständiger Verbrennung von organischen Verbindungen: CO selbst ist brennbar und verbrennt mit blauer Flamme zusammen mit Sauerstoff zu CO2 CO ist ein Atemgift, da es die Sauerstoffaufnahme des Blutes verhindert: Es bindet etwa 210mal stärker an den roten Blutfarbstoff als Sauerstoff.

22 Schwefeldioxid Schwefeldioxid, SO2, ist das Anhydrid der schwefligen Säure H2SO3. Schwefeldioxid ist ein farbloses, stechend riechendes und sauer schmeckendes, giftiges Gas. Es entsteht vor allem bei der Verbrennung von schwefelhaltigen fossilen Brennstoffen wie Kohle oder Erdölprodukten, die bis zu 4 Prozent Schwefel enthalten. Es trägt in erheblichem Maß zur Luftverschmutzung bei, denn es ist der Grund für sauren Regen, wobei das Schwefeldioxid zunächst von Sauerstoff zu Schwefeltrioxid oxidiert wird und dann mit Wasser zu Schwefelsäure (H2SO4) umgesetzt (?) SO2 schädigt in hohen Konzentrationen Mensch, Tiere und Pflanzen. Der "Saure Regen“ gefährdet empfindliche Ökosysteme wie Wald und Seen und greift Gebäude und Materialien an. Die gesamten SO2-Emissionen konnten in den entwickelten Industriestaaten in den letzten zwei Jahrzehnten durch die Nutzung schwefelarmer bzw. schwefelfreier Brenn- und Kraftstoffe stark reduziert werden. Schwefeldioxid ist das Anhydrid der schwefligen Säure H2SO3 Summenformel SO2 Molare Masse 64 g/mol Dichte 2,73 kg·m−3 Schmelzpunkt −75 °C Siedepunkt -10°C SO2 ist ein farbloses, stechend riechendes und sauer schmeckendes, giftiges Gas SO2 entsteht vor allem bei der Verbrennung von schwefel-haltigen fossilen Brennstoffen wie Kohle oder Erdölprodukten SO2 trägt in erheblichem Maß zur Luftverschmutzung bei: Es ist der Grund für sauren Regen H2O + SO2 → SO2 (gelöst) → H2SO3

23 Stickstoffdioxid Stickoxide oder Stickstoffoxide ist eine Sammelbezeichnung für die gasförmigen Oxide des Stickstoffs. Sie werden auch mit NOx abgekürzt, da es auf Grund der vielen Oxidationsstufen des Stickstoffs mehrere Stickstoff-Sauerstoff-Verbindungen gibt. Stickstoffdioxid, NO2, ist ein rotbraunes, stechend chlorähnlich riechendes Gas, das leicht verflüssigt werden kann. NO2 kommt als Spurengas in der Atmosphäre mit den höchsten Werten in Bodennähe vor (Ozon- und Smogbildung) Die emittierten Stickoxide werden in der Luft umgewandelt. Photochemische Reaktionen in der Atmosphäre beziehen vor allem längerkettige Kohlenwasserstoffe wie Propan, Butan oder auch Octane ein, die oxidiert werden. Über mehrere Zwischenstufen werden Kohlenwasserstoffe zum Aldehyd R-CHO und gleichzeitig NO zu NO2 aufoxidiert, das wieder photolytisch gespalten wird und dabei weitere Aldehyd- und Ozonmoleküle bildet. (Häufig sind die Aldehyde aber nicht das Ende der Oxidationskette). Photosmog entsteht bei hohen Emissionsraten an Stickstoffoxid bei gleichzeitiger Emission von Kohlenwasserstoffen während sog. "Inversionswetterlagen", d.h. wenn die höheren Luftschichten wärmer sind als die bodennahen: Die schadstoffreiche Abluft von Ballungszentren kann nicht abziehen und es stellt sich wegen des fehlenden vertikalen Luftaustausches eine ständig wachsende Schadstoffkonzentration ein Auswirkung auf den Menschen: Stickstoffdioxid ist hochgiftig und wird in geringen Konzentrationen kaum wahrgenommen. Eingeatmetes Stickstoffdioxid löst Kopfschmerzen und Schwindel aus. Höhere Konzentrationen können Atemnot und Lungenödeme auslösen! Stickstoffdioxid ist ein rotbraunes, stechend chlorähnlich riechendes Gas Summenformel NO2 Molare Masse 46 g/mol Dichte 3,66 g/l Schmelzpunkt -11,2°C Siedepunkt 21,2°C NO2 ist ein rotbraunes, stechend chlorähnlich riechendes und sehr giftiges Gas NO2 kommt als Spurengas in der Atmosphäre mit den höchsten Werten in Bodennähe vor (Ozon- und Smogbildung) Entstehung des Sauren Regens: Bildung von Salpetersäure 2NO2 + H2O → HNO3 + HNO2 Reizung und Schädigung der Atmungsorgane, Inhibition der Atmungskette

24 Erweiterungen Die Liste der Schadstoffe ist für größere Klassen oder Kurse erweiterbar durch Kohlenwasserstoffe Ozon Feinstaub ...

25 Folgen der Luftverschmutzung
Die Unterrichtseinheit ist, ausgehend vom Grundthema „Luftverschmutzung“ und den bisher dargelegten Fakten, erweiterbar. Mögliche Themenfelder ergeben sich aus der zu Beginn erstellten Mind-Map oder/und aus aktuellen Gründen.

26 Themenfelder Ozon Wintersmog Feinstaub Saurer Regen Treibhauseffekt
In der Stratosphäre: Ozonloch In der Troposphäre (bodennah): Sommersmog Wintersmog Feinstaub Saurer Regen Treibhauseffekt

27 Saurer Regen

28 Die Verbindung zu den vorigen Stunden führt über die bekannten Autoabgase Schwefeldioxid und die Stickoxide.

29 Anthropogene Quellen für Schwefeldioxid und Stickoxide
Verbrennung von Kohle, Heizöl und Benzin Der Straßenverkehr, die Schifffahrt und Flugzeuge.

30 Experiment Bildung von schwefliger Säure
Geräte Apparatur zur Darstellung von Schwefeldioxid, Schlauchverbindungen, Waschflasche. Chemikalien Natriumdisulfit (Xi), Schwefelsäure (w = 10 %) (C), Universalindikatorlösung. Durchführung Waschflasche zu 1/3 mit Wasser füllen und Universal-indikatorlösung hinzugeben.→ grün, pH-Wert um 7 Einleiten von Schwefeldioxid. → hellrot

31 Gelangt Schwefeldioxid in Wasser, bildet es eine saure Lösung, die Schweflige Säure:
Die Schwefelige Säure bildet in Wasser H+(aq)-Ionen und es entstehen zwei Arten von Säurerestanionen: Schweflige Säure reagiert zu einem Proton und einem Hydrogensulfition. Ein Hydrogensulfition reagiert zu einem Proton und einem Sulfition.

32 Schwefeltrioxid bildet mit Wasser zunächst Schwefelsäure:
Bei der Verbrennung von Schwefel und auch bei Oxidationsreaktionen in der Luft entsteht nicht nur Schwefeldioxid, sondern auch Schwefeltrioxid. Schwefeltrioxid bildet mit Wasser zunächst Schwefelsäure: Auch die Schwefelsäure zerfällt bei Zugabe von weiterem Wasser in Protonen und Säurerestanionen. Schwefelsäure reagiert zu einem Proton und einem Hydrogensulfation. Ein Hydrogensulfation reagiert zu einem Proton und einem Sulfation. Die bei der Verbrennung entstehende Menge an Schwefeltrioxid ist stark temperaturabhängig, da es oberhalb von 600°C in Schwefeldioxid und Sauerstoff zerfällt:

33 Ähnliche Reaktionen finden auch mit Stickoxiden und Kohlenstoffdioxid statt:
Dadurch beträgt der pH-Wert des unbelasteten Regens bereits 5,6. Erst bei einem pH-Wert unter 5,6 kann man deshalb von Saurem Regen sprechen. Wie andere Säuren auch, geben die Moleküle der Schwefeligen Säure beim Lösen in Wasser Wasserstoffionen ab. Dabei können sich zwei unterschiedliche Säurerestionen bilden. HSO3--Ionen werden auch Hydrogensulfitionen genannt, SO32--Ionen heißen Sulfitionen. Salze mit diesen Ionen bezeichnet man als Sulfite und Hydrogensulfite. Auch mit dem Wasserdampf der Luft bildet Schwefeldioxid Schweflige Säure. Ein Teil dieser kann auch mit Sauerstoff reagieren und dann Schwefelsäure (H2SO4) bilden. Schwefelsäure ist der Hauptbestandteil des Sauren Regens. In Mitteleuropa beruht der Säuregehalt des Sauren Regens etwa zu 2/3 auf der Schwefelsäure. Auch Salpetersäure lässt sich nachweisen. Wie oben in der Reaktionsgleichung zu erkennen, bildet sich Salpetersäure aus Stickoxiden und Wasser. Der Saure Regen ist demnach ein Gemisch verschiedener Säuren. Auch der unbelastete Regen ist bereits leicht sauer. Das in der Luft enthaltene Kohlenstoffdioxid kann mit dem Regenwasser reagieren und Kohlensäure bilden. Dadurch beträgt der pH-Wert des unbelasteten Regens bereits 5,6. Erst bei einem pH-Wert unter 5,6 kann man deshalb von Saurem Regen sprechen. Der pH einer sauren Wolken kann bis zu 2,6 reichen. Saurer Regen in stark industrialisierten Regionen weist pH-Werte von etwa 4 auf. Nebel in Los Angeles erreichte Werte von weniger als 3. In einigen Teilen der Welt, z.B. im nördlichen Australien, können auch natürliche Emissionen der Vegetation den pH auf Werte um 4,4 sinken lassen.

34 Auswirkungen des Sauren Regens auf Kalkstein
Geräte/Materialien: Erlenmeyerkolben, Becherglas (100ml), Doppelwinkelrohr, durchbohrter Stopfen, Kalkstein (Marmorstückchen). Chemikalien: Verdünnte Schwefelsäure (etwa 5%ig), Kalkwasser

35 Wirkung auf Gebäude und Statuen
Das Calciumcarbonat reagiert mit den gelösten Wasserstoffionen im sauren Regen: CaCO3 + 2H+ → CO2 +H2O + Ca2+ Dann reagieren die Sulfationen der Schwefelsäure mit den Calciumionen und überziehen den Marmor oder Kalkstein mit einer weißen Schicht von Gips: Ca2+ +SO42− + 2H2O → CaSO4 + 2H2O

36 Auswirkungen von SO2 und NOX auf Kresse
Geräte/Materialien: Einmachglas, Kresse, Becherglas Chemikalien: Natriumhydrogensulfitlösung (etwa 1%ig) Halbkonzentrierte Salpetersäure Sauberes Kupferblech

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38 SO2 Dringt SO2 durch die Spaltöffnungen ins innere der Pflanzen ein, reagiert es dort mit Wasser unter Bildung von Schwefliger Säure. → wirkt sich u. a. negativ auf Enzymaktivitäten aus. → insbesondere bei der CO2-Fixierung → Ribulose-1,5-bisphosphat-carboxylase Hinzu kommen sehr viele weitere komplizierte Wirkungen.

39 NOX Stickoxide greifen u. a. Membranen der Pflanzen an und ändern somit ihre Durchlässigkeit. Wie bei SO2 ist auch NOX für die Ansäuerung verschiedener Zellkompartimente verantwortlich, was Funktionsstörungen zur Folge hat.

40 Saurer Regen bei PISA

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42 Der Treibhauseffekt

43 Schwedische Chemiker Arrhenius (1896):
eine Atmosphäre, die nur aus Sauerstoff, Stickstoff und Edelgasen besteht, müsste durchschnittlich -18 °C kalt sein. Erdoberfläche: durchschnittliche Temperatur +15 °C. Unterschied = 33 °C. Man unterscheidet einen "natürlichen" von einem "anthropogenen" Treibhauseffekt. Die Verursacher des natürlichen Effekts von +33 °C sind:

44 Wie ist das mit der Sonne?
Arbeitsblatt: Ordne den Nummern den richtigen Text zu!

45 Die Rolle der Gase in der Atmosphäre kann mit dem Glas in einem Treibhaus verglichen werden.
Das Glas lässt das Sonnenlicht hinein und das Licht erwärmt Boden und Pflanzen im Treibhaus. Diese geben Wärmestrahlung ab. Erreicht die Wärmestrahlung das Glas, so kann sie nicht durchdringen, sondern das Glas sendet einen Teil der Strahlung zurück in das Treibhaus, in welchem es warm wird. Schwächen des Modells??

46 Es sollte klar werden, dass
Glas ein Feststoff ist, Treibhausgase nicht. Glas damit auch eine Barriere für warme Luftströme ist.

47 Experiment: Wirkung von Wärmestrahlung auf Treibhausgase

48 Ergebnisse:

49 Fragen/Aufgaben Ordne die Treibhausgase nach ihrer Fähigkeit Wärmestrahlung zu absorbieren. Wie sind diese Ergebnisse mit nebenstehender Tabelle in Einklang zu bringen?

50 Drei-Wege-Katalysator
Letzte Doppelstunde: - Besprechung eines Katalysators - Modellexperiment zum Abgaskatalysator - Sammeln von Strategien zur Verminderung von Kfz-Abgasen Zwischen Motor und Katalysator befindet sich eine Lambdasonde. Diese testet den Gehalt an unverbranntem Sauerstoff in den Abgasen. Sauerstoff macht den Katalysator unwirksam. Stellt die Lambdasonde zuviel Sauerstoff in den Abgasen fest, drosselt sie über ein Steuersystem die Luftzufuhr im Vergaser. Sie regelt die Luftzufuhr im Vergaser so, dass immer genauso viel Luft im Motor vorhanden ist, wie zur Verbrennung des Benzins benötigt wird. Nur dann funktioniert der Vergaser optimal. Für ein einwandfreies Arbeiten des Autokatalysators ist das Tanken von bleifreiem Benzin notwendig. Bleistäube in den Abgasen machen Katalysatoren unwirksam und zerstören sie. Ein Drei-Wege-Katalysator vernichtet etwa 90 Prozent der Schadstoffe. Die Stickstoffoxidemissionen des Verkehrs sind seit 1990 leicht zurückgegangen. Dies ist auf den Katalysator zurückzuführen. Der Katalysator ist dem Motor nachgeschaltet, dazwischen befindet sich eine Lambdasonde. Diese testet den Gehalt an unverbranntem Sauerstoff in den Abgasen. Sie regelt die Luftzufuhr im Vergaser so, dass immer genauso viel Luft im Motor vorhanden ist , wie zur Verbrennung des Benzins benötigt wird.

51 Drei-Wege-Katalysator
Der Autokatalysator besteht aus einem Keramikeinsatz, der von winzigen, wabenförmigen Kanälen, welche mit Platin beschichtet sind, durchzogen ist. Das fein verteilte Platin wirkt als Katalysator.

52 Drei-Wege-Katalysator
Im Katalysator finden Redox-Reaktionen statt, bei denen die Schadstoffe zu unbedenklicheren Verbindungen reagieren Bei einem Drei-Wege-Katalysator finden die Oxidation von CO und HmCn sowie die Reduktion von NOx parallel zueinander statt: 2 CO + O2 → 2 CO2 2 NO + 2 CO → N2 + 2 CO2 2 C2H6 + 7 O2 → 4 CO2 + 6 H2O

53 Arbeitsblatt

54 Experiment zum Abgaskatalysator
In zwei Vorversuchen werden 10 ml Stickoxid und 90 ml Kohlenstoffmonoxid in Kolbenprobern bereitgestellt Die Apparatur wird entsprechend zusammen gebaut Man erhitzt den Katalysator so lange, bis er an einer Stelle schwach glüht und leitet dann langsam das Gasgemisch darüber Entfärbung des Gasgemisches, Kohlenstoffmonoxid ist nicht mehr nachweisbar, dafür aber Kohlenstoffdioxid

55 Verminderung von Kfz-Abgasen
Die letzten beiden Fragen des Arbeitsblattes dienen dabei zur Einleitung in die nächste Stunde, in der es um weiterführende Überlegungen zur Reduzierung der Schadstoffbelastung durch Autoabgase geht. Zu zweit (oder als Kleingruppe) sollen sich die Schüler mit den Aufgaben "Überlege dir mit deinem Banknachbarn, wie in Zukunft die Schadstoffbelastung durch Autoabgase weiter reduziert werden kann!" und "Was könnt ihr selbst dazu beitragen, damit die Schadstoffbelastung durch Autoabgase weiter verringert wird?" beschäftigen. Die Antworten können zur Ergebnissicherung an der Tafel oder einem Plakat gesammelt werden. Es können aber auch Zweiergruppen gebildet werden, die sich entweder mit der vierten oder der fünften Aufgabe auseinandersetzten. Danach werden neue Gruppen mit Mitgliedern aus beiden Parteien gebildet, in denen immer ein Schüler dem anderen darüber berichtet, was vorher zu der entsprechenden Frage ausgearbeitet wurde und eventuell Neues hinzugefügt. Wenn sich die alten Gruppen wieder zusammen finden, können die Tabellen oder Mind Maps abschließend ergänzt werden und später im Chemieraum oder Klassenzimmer aufgehängt werden. Diese Unterrichtsmethode fördert sehr die Kommunikation und damit das Arbeitsklima der Klasse bzw. des Kurses. Da diese Stunde die Diskussion zu dem Thema Luftverschmutzung anregen und die Beschäftigung damit fördern soll, ist diese Methode bestens zur Realisierung dieser Ziele geeignet. Zur Verringerung der Schadstoffausstöße von Fahrzeugen gibt es verschiedene Möglichkeiten: Die Abgase müssen -wie besprochen- katalytisch nachverbrannt werden Die Verbrennungsbedingungen im Motor müssen so gestaltet bzw. verändert werden, dass bei der Verbrennung möglichst wenig Schadstoffe entstehen Die Motoren müssen mit alternativen Energieträgern angetrieben werden, die wenige oder gar keine Schadstoffe produzieren Eine Obergrenze für CO2-Ausstoß kann festgelegt werden; bei Nichteinhaltung drohen Strafen → „Innovationsfeuerwerk der Industrie“ Die öffentlichen Verkehrsmittel sollten mehr ausgebaut werden, damit sie eine Alternative zum Auto darstellen...

56 Was kann ich tun? Zusatz: CO2-Ausstoß bei der Bahn und beim Flugverkehr findet man im Internet: => Umweltvergleich oder Umweltmobilcheck „Die Bahn hat ihren Umweltrechner, den UmweltMobilCheck, aktualisiert: Er prüft nicht mehr nur das Auto und den Zug, sondern jetzt auch das Flugzeug hinsichtlich Fahrtdauer, Energieverbrauch und Ausstoß von Schadstoffen. Der Vergleich zeigt: Die Bahn ist das umweltfreundlichste Verkehrsmittel. Jede innerdeutsche Zugfahrt im Fernverkehr erspart der Umwelt im Vergleich zur Fahrt mit dem Auto durchschnittlich zwei Drittel des klimaschädlichen Kohlendioxid (CO2)-Ausstoßes, im Vergleich zum Flug sogar 75 Prozent.“ => Emissionsrechner Bei kürzeren Strecken mit dem Fahrrad statt mit dem Auto fahren Autos besser auslasten: Fahrgemeinschaften gründen Wie viele Autos braucht eine vierköpfige Familie wirklich? Bei längeren Strecken die Alternativen checken: Auto, Bahn oder Flugzeug (UmweltMobilCheck bei der Bahn) ...