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

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Präsentation zum Thema: "Anthropogene Einflüsse auf die natürlichen Stoff-Kreisläufe Experimentalvortrag (AC)"—  Präsentation transkript:

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

2 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. Die anthropogenen Einflüsse auf die natürlichen Stoffkreisläufe

3 1. Einfluss des Menschen Mensch begann vor 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

4 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

5 Der ökologische Fußabdruck 1Vereinigte Arabische Emirate 12 ha (enstspr. 16 Fußballfeldern) 2USA9 ha (13 Fußballfelder) 23Deutschland4 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

6 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. 1. Einfluss des Menschen

7 2. Sphärischer Aufbau der Erde Quelle: Georg Schwedt 2. Sphärischer Aufbau der Erde

8 3. Die Stoff-Kreisläufe Die Grundbausteine der Erde sind die Elemente, die charakteristisch Stoff- Kreisläufe aufweisen. Wasser, Sauerstoff, Kohlenstoff, Schwefel, Stickstoff 3. Die Stoff-Kreisläufe

9 3.1 Der Wasser-Kreislauf Niederschlag = Verdunstung + Abfluss + Speicherung 3. Die Stoff-Kreisläufe Quelle: Marshall Cavendish 97 % 2,1 % 0,6 % 0,001 %

10 3.1 Der Wasser-Kreislauf (Quelle: Marshall Cavendish) Niederschlag = Verdunstung + Abfluss + Speicherung

11 3.1 Der Wasser-Kreislauf Quelle: Marshall Cavendish Abwasserentsorgung in einem Elendsviertel in Manila, Hauptstadt der Philippinen

12 3.1 Der Wasser-Kreislauf Das Liebigsche Gesetz vom Minimum besagt, dass das Pflanzenwachstum immer durch die knappste Ressource eingeschränkt wird.

13 Versuch 1: Aluminium-Eisenphosphatfällung 3.1 Der Wasser-Kreislauf Eisen-Phosphat-Fällung: Verwendung von dreiwertigen Eisensalzen (Eisen(III)-chlorid (FeCl 3 ), Eisen(III)-sulfat (Fe 2 (SO 4 ) 3 )), welche ein schwerlösliches Eisenphosphat bilden. Aluminium-Phospaht-Fällung: In der Regel Verwendung von Aluminiumsulfat (Al 2 (SO 4 ) 3 ). Algenwachstum bestimmt durch Phosphatkonzentration im Gewässer Fällungsreaktion: Fe 3+,Al 3+ + PO 4 3- Fe,AlPO 4

14 Verschmutztes Grundwasser wird vor allem mit Aktivkohle gereinigt. Diese Art der Reinigung stellt eine der sichersten Methoden dar. 3.1 Der Wasser-Kreislauf Vereinfachtes Verfahrensfließschema einer Grundwasserbehandlungsanlage mit Aktivkohle-Adsorption Quelle:

15 Demonstration 1: Rotwein entfärben mit Aktivkohle 3.1 Der Wasser-Kreislauf Auswertung: Der Rotwein entfärbt sich bei der Behandlung mit Aktivkohle. Aktivkohle im Elektronen- mikroskop, Ausschnitt ca. 30 µm (Quelle: 5_1_luftschadtstoffe.htm~information) zur Pumpe 50 mL Rotwein 5 g Aktivkohle (Pulver)

16 h·v 3.2 Der Sauerstoff-Kreislauf Photosynthese grüner Pflanzen: 6 CO 2 (g) + 6 H 2 O C 6 H 12 O 6 (aq) + 6 O 2 (g) 3 Die Stoff-Kreisläufe Lithosphäre5, tCO 3 2-, SiO 4 4-, SO 4 2- Atmosphäre1, tDisauerstoff (O 2 ) (Stratosphäre auch O 3 und O)

17 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

18 h·v Versuchsauswertung: Reaktionen an der UV-Lampe: O 2 (g) 2 O (g) O 2 (g) + O (g) O 3 (g) Reaktion des O 3 mit dem I - : -I ±0 -II ±0 ±0 -II +I 2 I - (aq) + O 3 (g) + H 2 O I 2 (aq) + O 2 (g) + 2 OH - (aq) -I ±0 - I - (aq) + I 2 (aq) [I 3 ] - (aq) 3.2 Der Sauerstoff-Kreislauf eingelagert in Stärke-Helix blauviolett Quelle: Versuch Nr. 2: Ozonbildung durch UV-Bestrahlung von Luft

19 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 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

20 3.3 Der Kohlenstoff-Kreislauf 3 Die Stoff-Kreisläufe Quelle:

21 Demonstration 2: Vergleich der Absorption von CO 2 -Gas und Luft 3.3 Der Kohlenstoff-Kreislauf Foto vom Aufbau !!! Versuchsdurchführu ng: ovinz.bz.it/nikolaus- cusanus/fhwbck/trei bhaus.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 CO 2 mehr Wärmestrahlung absorbiert als Luft. Luft-BallonCO 2 -Ballon ΔTΔT+ 1,1 °C+ 0,7 °C

22 CO 2 -Sequestrierung im Meer 3.3 Der Kohlenstoff-Kreislauf Quelle:

23 3.4 Der Schwefel-Kreislauf 3 Die Stoff-Kreisläufe Quelle: Georg Schwedt

24 3.4 Der Schwefel-Kreislauf Schwefel-Reservoire werden auf über 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 SO 2, welches als Saurer Regen auf die Erde zurückkehrt 95 % des in der Atmosphäre vorkommenden SO 2 stammt aus der Kohle- und Erdölverbrennung Reduktion von Schwefelemissionen: Moderne Entschwefelungsanlagen entfernen heute das bei der Verbrennung schwefelhaltiger Materialien (Kohle, Erdöl, Erdgas) entstehende SO 2 direkt aus dem Rauchgas der Verbrennungsanlage.

25 3.4 Der Schwefel-Kreislauf Versuch Nr. 3: Kalkwaschverfahren zerkleinertes Pyrit (FeS 2 ) 1 g CaCO 3 und 100 mL Wasser pH-Meter zur Pumpe

26 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 O 2 (g) 6 SO 2 (g) + Fe 3 O 4 (s) Das SO 2 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 CaCO 3 (aq) + 2 SO 2 (g) + O 2 (g) + 2 H 2 O 2 CaSO 4 (aq) + 2 CO 2 (g)

27 3.5 Der Stickstoff-Kreislauf 3 Die Stoff-Kreisläufe Verbrennungs- prozesse 78 % der Atmosphäre besteht aus freiem, weitgehend inertem Stickstoff (N 2 ), 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 (NH 3, NO x, N-Fixierung/-Denitrifizierung). Landwirtschaft Atmosphäre Lithosphäre Fließgewässer Abwasserbehandlung

28 Stickstoff-Fixierung 3.5 Der Stickstoff-Kreislauf Anorganisch:N 2 (g) + O 2 (g) 2 NO (g) NO (g) + ½ O 2 (g) NO 2 (g) Biologisch:N 2 (g) + 3 H 2 (g) NH 3 (g) 4 CO 2 (g) + 2 H 2 O + 2 NH 3 (g) CH 2 NH 2 COOH (aq) + 3 O 2 (g) Nitrose Gase (T+, C, O) Globale Stickstoff-Fixierung XY: Mikrobielle Fixierung:100 – 200 Mio t/a Haber-Bosch-Verfahren:82 Mio t/a NO x aus Verbrennungsprozessen:25 Mio t/a

29 NO x -Emissionen ausgewählter technischer Verbrennungsprozesse 3.5 Der Stickstoff-Kreislauf VerbrennungsprozessNO x -Konzentration im Abgas [mg/m³] NO x -Emissionen [mg/kWh] Kraftwerksfeuerungen Steinkohle-Staubfeuerung1900 – – 5900 Braunkohlefeuerung600 – – 1400 Industriefeuerungen Ölfeuerung300 – – 1200 Gasfeuerung100 – – 700 Feuerungen Haushalte Ölfeuerung80 – – 260 Gasfeuerung160 – – 320 Verbrennungsmotoren PKW (Benzin)1000 – – 7000 PKW (Benzin, Leerlauf)20 – 5018 – 50 PKW (Diesel)400 – – 3500 PKW (Diesel, Leerlauf)20 – 5070 – 180

30 Der 3-Wege-Kat 3.5 Der Stickstoff-Kreislauf 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 (C x H y ) und Kohlenmonoxid (CO) werden mit Stickoxiden (NO x ) bzw. mit Rest-Sauerstoff zu Kohlendioxid (CO 2 ), Wasser (H 2 O) und Distickstoff (N 2 ) umgesetzt. CH 4 /NO 2 : CH 4 (g) + 2 NO 2 (g) CO 2 (g) + N 2 (g) + 2 H 2 O CO/NO 2 :2 CO (g) + 2 NO 2 (g) 2 CO 2 (g) + N 2 (g) CH 4 /O 2 :CH 4 (g) + 2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O CO/O 2 :2 CO (g) + O 2 (g) 2 CO 2 (g)

31 3.5 Der Stickstoff-Kreislauf 1. Katalytische Umwandlung eines NO x /CO-Gasgemischs: Versuch Nr. 4: Der Autokatalysator Platindrahtnetz Kolbenprober mit NO x -/CO-Gemisch 2. CO 2 -Nachweis: Gasgemisch mit CO 2 Gesättigte Ba(OH) 2 -Lösung

32 Versuchsauswertung: 1. Katalytische Umwandlung eines NO x /CH 4 -Gasgemischs: CH 4 /NO 2 : 2 CH 4 (g) + 2 NO 2 (g) 2 CO 2 (g) + N 2 (g) + H 2 O (g) farblos braun farblos, vermischt mit NO 2 gelb CH 4 /O 2 :CH 4 (g) + 2 O 2 (g) CO 2 (g) + 2 H 2 O (g) 2. CO 2 -Nachweis: Ba(OH) 2 (aq) + CO 2 (g) Ba(CO 3 ) (s) + H 2 O Kat 3.5 Der Stickstoff-Kreislauf Versuch Nr. 3: Der Autokatalysator

33 4. Treibhauseffekt, globale Erwärmung und Saurer Regen 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) 4.Treibhauseffekt, globale Erwärmung und Saurer Regen

34 Der verstärkte Treibhauseffekt (anthropogen bedingt): 4.Treibhauseffekt, globale Erwärmung und Saurer Regen Quelle: Marshall Cavendish

35 Saurer Regen: N 2 (g) + O 2 (g) 2 NO (g) ΔH° = + 87 kJ/mol (Energie stammt in der Atmosphäre u.a. aus Blitzentladungen) NO (g) + O 3 (g) NO 2 (g) OH. (g) + NO 2 (g) (g) SO 2 (g) + ½ O 2 (g) SO 3 (g) (katalysiert durch Vanadium, Platin, Sonnenlicht) H 2 O + SO 3 (g) (g) H 2 O + NO (g) + SO 2 (g) (g) + N 2 O (g) 4.Treibhauseffekt, globale Erwärmung und Saurer Regen HNO 3 H 2 SO 4 werden durch Regen ausgewaschen: Quelle: Georg Schwedt und

36 Demonstration 3: Vergiftung von Kresse durch Schadgase 4.Treibhauseffekt, globale Erwärmung und Saurer Regen Fotos einfügen Durchführung beschreiben, Kresse herumgeben

37 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:

38 6.Danke… Vielen Dank für die Aufmerksamkeit !!


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