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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

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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11 Hauptverursacher 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 Man unterschiedet natürliche und durch den Menschen verursachte Emissionen Natürliche Emissionen Vulkanismus Gewitter Stoffwechsel bei Tieren u. Pflanzen Verwesung Sandstürme uvm.

13 Anthropogene Emissionen

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15 Spezialisierung auf Autoabgase Forscherauftrag: Wie viel CO 2 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 CO 2 -Ausstoß errechnet ihr mit der Formel: S = km/J BV se Motortyp /100

16 Beispiele Ottomotor: se Otto = 2,32 kg CO 2 /l, Dieselmotor: se Diesel = 2,63 kg CO 2 /l, Erdgasmotor: se Erdgas = 2,23 kg CO 2 /kg Erdgas Formel:S = km/J BV se Motortyp /100 AutoKilometer pro Jahr (km/J) Verbrauch in l/100 km (BV) Benziner oder Diesel? CO 2 -Aus- stoß pro Liter (se) CO 2 -Aus- stoß pro Jahr in kg VW Lupo ,0Benziner2,32 kg/l870 kg/Jahr Opel Astra (1,4 l, 90 PS) ,3Benziner Ford Fiesta (1,4 l, 68 PS) ,4Diesel Opel Zafira (1,6 l, 97 PS) ,98 kgErdgas

17 Nachweis von NO x 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 Zusammensetzung der schädlichen Auspuffgase (Ottomotor) CO 2 87,6 Vol% CO10,3 NO x 0,6 SO 2 0,06 CH1,07 Aldehyde0,4 Die Abgase eines Autos bestehen vor allem aus Stickstoff, Wasserdampf, Sauerstoff und Wasserstoff. Von 100 L Abgas sind etwa 10 l Schadgase.

19 Kohlenstoffdioxid Kohlenstoffdioxid ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff Summenformel CO 2 Molare Masse 44 g/mol Dichte 1,98 kg·m –3 Schmelzpunkt –56,6 °C Siedepunkt –78,5 °C (Sublimation) CO 2 ist ein farbloses, geruchloses und ungiftiges Gas CO 2 ist nicht brennbar (Verwendung in Feuerlöschern) Es entsteht durch die Verbrennung von Kohlenstoff In Wasser löst es sich unter Bildung von Kohlensäure: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 Nachweis: Kalkwasserprobe CO 2 + Ca(OH) 2 CaCO 3 + H 2 O

20 Kohlenstoffdioxid CO 2 ist mit ca. 0,04% natürlicher Bestandteil der Erdatmosphäre CO 2 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 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 CO 2 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 ist das Anhydrid der schwefligen Säure H 2 SO 3 Summenformel SO 2 Molare Masse 64 g/mol Dichte 2,73 kg·m 3 Schmelzpunkt 75 °C Siedepunkt -10°C SO 2 ist ein farbloses, stechend riechendes und sauer schmeckendes, giftiges Gas SO 2 entsteht vor allem bei der Verbrennung von schwefel- haltigen fossilen Brennstoffen wie Kohle oder Erdölprodukten SO 2 trägt in erheblichem Maß zur Luftverschmutzung bei: Es ist der Grund für sauren Regen H 2 O + SO 2 SO 2 (gelöst) H 2 SO 3

23 Stickstoffdioxid Stickstoffdioxid ist ein rotbraunes, stechend chlorähnlich riechendes Gas Summenformel NO 2 Molare Masse 46 g/mol Dichte 3,66 g/l Schmelzpunkt -11,2°C Siedepunkt 21,2°C NO 2 ist ein rotbraunes, stechend chlorähnlich riechendes und sehr giftiges Gas NO 2 kommt als Spurengas in der Atmosphäre mit den höchsten Werten in Bodennähe vor (Ozon- und Smogbildung) Entstehung des Sauren Regens: Bildung von Salpetersäure 2NO 2 + H 2 O HNO 3 + HNO 2 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 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 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.

33 Ähnliche Reaktionen finden auch mit Stickoxiden und Kohlenstoffdioxid statt: Stickoxide: Kohlenstoffdioxid: 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.

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: CaCO 3 + 2H + CO 2 +H 2 O + Ca 2 + Dann reagieren die Sulfationen der Schwefelsäure mit den Calciumionen und überziehen den Marmor oder Kalkstein mit einer weißen Schicht von Gips: Ca 2 + +SO H 2 O CaSO 4 + 2H 2 O

36 Auswirkungen von SO 2 und NO X auf Kresse Geräte/Materialien: Einmachglas, Kresse, Becherglas Chemikalien: Natriumhydrogensulfitlösung (etwa 1%ig) Halbkonzentrierte Salpetersäure Sauberes Kupferblech

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38 SO 2 Dringt SO 2 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 CO 2 -Fixierung Ribulose-1,5-bisphosphat-carboxylase Hinzu kommen sehr viele weitere komplizierte Wirkungen.

39 NO X Stickoxide greifen u. a. Membranen der Pflanzen an und ändern somit ihre Durchlässigkeit. Wie bei SO 2 ist auch NO X 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 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 H m C n sowie die Reduktion von NO x parallel zueinander statt: 2 CO + O 2 2 CO 2 2 NO + 2 CO N CO 2 2 C 2 H O 2 4 CO H 2 O

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 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 CO 2 -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? 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)...


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