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

Sphärischer Aufbau der Erde Die Stoff-Kreisläufe 1. Die anthropogenen Einflüsse auf die natürlichen Stoffkreisläufe Einfluss des Menschen Sphärischer Aufbau der Erde 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. Einfluss des Menschen 1. Einfluss des Menschen Mensch begann vor 10.000 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

Der ökologische Fußabdruck 1. Einfluss des Menschen 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)

Der ökologische Fußabdruck 1. Einfluss des Menschen Der ökologische Fußabdruck 1 Vereinigte Arabische Emirate 12 ha (enstspr. 16 Fußballfeldern) 2 USA 9 ha (13 Fußballfelder) 23 Deutschland 4 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)

Deutsche Extremfälle in 2006 1. Einfluss des Menschen 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.

2. Sphärischer Aufbau der Erde Quelle: Georg Schwedt

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

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

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

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

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

Versuch 1: Aluminium-Eisenphosphatfällung 3.1 Der Wasser-Kreislauf Algenwachstum bestimmt durch Phosphatkonzentration im Gewässer Versuch 1: Aluminium-Eisenphosphatfällung Eisen-Phosphat-Fällung: Verwendung von dreiwertigen Eisensalzen (Eisen(III)-chlorid (FeCl3), Eisen(III)-sulfat (Fe2(SO4)3)), welche ein schwerlösliches Eisenphosphat bilden. Aluminium-Phospaht-Fällung: In der Regel Verwendung von Aluminiumsulfat (Al2(SO4)3). Fällungsreaktion: Fe3+,Al3+ + PO43-  Fe,AlPO4

3.1 Der Wasser-Kreislauf Verschmutztes Grundwasser wird vor allem mit Aktivkohle gereinigt. Diese Art der Reinigung stellt eine der sichersten Methoden dar. Vereinfachtes Verfahrensfließschema einer Grundwasserbehandlungsanlage mit Aktivkohle-Adsorption Quelle: http://www.xfaweb.baden-wuerttemberg.de/alfaweb/berichte/mza17/gwr0111.html

Demonstration 1: Rotwein entfärben mit Aktivkohle 3.1 Der Wasser-Kreislauf Demonstration 1: Rotwein entfärben mit Aktivkohle Auswertung: Der Rotwein entfärbt sich bei der Behandlung mit Aktivkohle. 50 mL Rotwein 5 g Aktivkohle (Pulver) zur Pumpe Aktivkohle im Elektronen-mikroskop, Ausschnitt ca. 30 µm (Quelle: http://www.cwaller.de/deutsch.htm?teil4_5_1_luftschadtstoffe.htm~information)

3.2 Der Sauerstoff-Kreislauf 3 Die Stoff-Kreisläufe 3.2 Der Sauerstoff-Kreislauf Photosynthese grüner Pflanzen: 6 CO2 (g) + 6 H2O  C6H12O6 (aq) + 6 O2 (g) h·v Lithosphäre 5,5 . 1016 t CO32-, SiO44-, SO42- Atmosphäre 1,3 . 1014 t Disauerstoff (O2) (Stratosphäre auch O3 und O)

Versuch Nr. 2: Ozonbildung durch UV-Bestrahlung von Luft 3.2 Der Sauerstoff-Kreislauf Versuch Nr. 2: Ozonbildung durch UV-Bestrahlung von Luft zur Pumpe UV-Lampe Gaswaschflasche mit Fritte, gefüllt mit Iodid-Stärke-Lösung

Versuch Nr. 2: Ozonbildung durch UV-Bestrahlung von Luft 3.2 Der Sauerstoff-Kreislauf Versuch Nr. 2: Ozonbildung durch UV-Bestrahlung von Luft Versuchsauswertung: Reaktionen an der UV-Lampe: O2 (g)  2 O (g) O2 (g) + O (g) O3 (g) Reaktion des O3 mit dem I-: -I ±0 -II ±0 ±0 -II +I 2 I-(aq) + O3 (g) + H2O  I2 (aq) + O2 (g) + 2 OH- (aq) -I ±0 -⅓ I- (aq) + I2 (aq)  [I3]- (aq) h·v h·v eingelagert in Stärke-Helix blauviolett Quelle: http://www.hgr.hn.bw.schule.de/comenius/bierbrauen/images/Bilder/Biotec3.jpg

Anthropogene Einflüsse auf den Sauerstoff-Kreislauf 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

3.3 Der Kohlenstoff-Kreislauf 3 Die Stoff-Kreisläufe 3.3 Der Kohlenstoff-Kreislauf Quelle: www.uni-kassel.de

Demonstration 2: Vergleich der Absorption von CO2-Gas und Luft 3.3 Der Kohlenstoff-Kreislauf Demonstration 2: Vergleich der Absorption von CO2-Gas und Luft Versuchsauswertung: Die Wärmestrahlen durchdringen den Luftballon, treffen auf das Temperaturmessgerät auf und geben dabei Energie ab. Die Temperatur steigt an. Foto vom Aufbau !!! Luft-Ballon CO2-Ballon ΔT + 1,1 °C + 0,7 °C Versuchsdurchführung: http://www.schule.provinz.bz.it/nikolaus-cusanus/fhwbck/treibhaus.htm Da die Temperatur beim Versuch mit Kohlendioxid weniger ansteigt, folgt, dass CO2 mehr Wärmestrahlung absorbiert als Luft.

CO2-Sequestrierung im Meer 3.3 Der Kohlenstoff-Kreislauf CO2-Sequestrierung im Meer Quelle: http://arch.rivm.nl/env/int/ipcc/pages_media/SRCCS-final/graphics/jpg/large/Figure%20TS-09.jpg

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

Schwefel-Reservoire werden auf über 1016 t (10 Millionen gt) geschätzt 3.4 Der Schwefel-Kreislauf Schwefel-Reservoire werden auf über 1016 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 SO2, welches als Saurer Regen auf die Erde zurückkehrt 95 % des in der Atmosphäre vorkommenden SO2 stammt aus der Kohle- und Erdölverbrennung Reduktion von Schwefelemissionen: Moderne Entschwefelungsanlagen entfernen heute das bei der Verbrennung schwefelhaltiger Materialien (Kohle, Erdöl, Erdgas) entstehende SO2 direkt aus dem Rauchgas der Verbrennungsanlage.

Versuch Nr. 3: Kalkwaschverfahren 3.4 Der Schwefel-Kreislauf Versuch Nr. 3: Kalkwaschverfahren zur Pumpe zerkleinertes Pyrit (FeS2) pH-Meter 1 g CaCO3 und 100 mL Wasser

Versuch Nr. 3: Kalkwaschverfahren 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 O2 (g)  6 SO2 (g) + Fe3O4 (s) Das SO2 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 CaCO3 (aq) + 2 SO2 (g) + O2 (g) + 2 H2O  2 CaSO4 (aq) + 2 CO2 (g)

3.5 Der Stickstoff-Kreislauf 3 Die Stoff-Kreisläufe 3.5 Der Stickstoff-Kreislauf 78 % der Atmosphäre besteht aus freiem, weitgehend inertem Stickstoff (N2), 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 (NH3, NOx, N-Fixierung/-Denitrifizierung). Atmosphäre Landwirtschaft Verbrennungs-prozesse Abwasserbehandlung Lithosphäre Fließgewässer

Stickstoff-Fixierung 3.5 Der Stickstoff-Kreislauf Stickstoff-Fixierung Anorganisch: N2 (g) + O2 (g)  2 NO (g) NO (g) + ½ O2 (g)  NO2 (g) Biologisch: N2 (g) + 3 H2 (g)  NH3 (g) 4 CO2 (g) + 2 H2O + 2 NH3 (g)  CH2NH2COOH (aq) + 3 O2 (g) Nitrose Gase (T+, C, O) Globale Stickstoff-Fixierung XY: Mikrobielle Fixierung: 100 – 200 Mio t/a Haber-Bosch-Verfahren: 82 Mio t/a NOx aus Verbrennungsprozessen: 25 Mio t/a

NOx-Emissionen ausgewählter technischer Verbrennungsprozesse 3.5 Der Stickstoff-Kreislauf NOx-Emissionen ausgewählter technischer Verbrennungsprozesse Verbrennungsprozess NOx-Konzentration im Abgas [mg/m³] NOx-Emissionen [mg/kWh] Kraftwerksfeuerungen Steinkohle-Staubfeuerung 1900 – 4000 2300 – 5900 Braunkohlefeuerung 600 – 1000 850 – 1400 Industriefeuerungen Ölfeuerung 300 – 1000 300 – 1200 Gasfeuerung 100 – 800 85 – 700 Feuerungen Haushalte 80 – 250 80 – 260 160 – 370 135 – 320 Verbrennungsmotoren PKW (Benzin) 1000 – 8000 900 – 7000 PKW (Benzin, Leerlauf) 20 – 50 18 – 50 PKW (Diesel) 400 – 3000 1000 – 3500 PKW (Diesel, Leerlauf) 70 – 180

3.5 Der Stickstoff-Kreislauf Der „3-Wege-Kat“ Hauptverursacher für die in Deutschland jährlich an die Umwelt abgegeben 3 Millionen Tonnen Stickstoffoxide sind Kraftfahrzeuge und Heizkraftwerke. Stickoxide gehören zu den schädlichsten Abgasstoffen. katalytisch aktive Schicht Zwischenschicht Pt- beschichteter Keramik- monolith Lambda- Sonde elastisches Drahtgeflecht Metallgehäuse Unverbrannte Kohlenwasserstoffe (CxHy) und Kohlenmonoxid (CO) werden mit Stickoxiden (NOx) bzw. mit Rest-Sauerstoff zu Kohlendioxid (CO2), Wasser (H2O) und Distickstoff (N2) umgesetzt. CH4/NO2: CH4 (g) + 2 NO2 (g)  CO2 (g) + N2 (g) + 2 H2O CO/NO2: 2 CO (g) + 2 NO2 (g)  2 CO2 (g) + N2 (g) CH4/O2: CH4 (g) + 2 O2 (g)  CO2 (g) + 2 H2O CO/O2: 2 CO (g) + O2 (g)  2 CO2 (g)

Versuch Nr. 4: Der Autokatalysator 3.5 Der Stickstoff-Kreislauf Versuch Nr. 4: Der Autokatalysator 1. Katalytische Umwandlung eines NOx/CO-Gasgemischs: Platindrahtnetz Kolbenprober mit NOx-/CO-Gemisch 2. CO2-Nachweis: Gasgemisch mit CO2 Gesättigte Ba(OH)2-Lösung

Versuch Nr. 3: Der Autokatalysator 3.5 Der Stickstoff-Kreislauf Versuch Nr. 3: Der Autokatalysator Versuchsauswertung: 1. Katalytische Umwandlung eines NOx/CH4-Gasgemischs: CH4/NO2: 2 CH4 (g) + 2 NO2 (g)  2 CO2 (g) + N2 (g) + H2O (g) farblos braun farblos, vermischt mit NO2 gelb CH4/O2: CH4 (g) + 2 O2 (g)  CO2 (g) + 2 H2O (g) 2. CO2-Nachweis: Ba(OH)2 (aq) + CO2 (g)  Ba(CO3) (s) + H2O Kat Kat

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)

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

werden durch Regen ausgewaschen: 4. Treibhauseffekt, globale Erwärmung und Saurer Regen und werden durch Regen ausgewaschen: Saurer Regen: N2 (g) + O2 (g)  2 NO (g) ΔH° = + 87 kJ/mol (Energie stammt in der Atmosphäre u.a. aus Blitzentladungen) NO (g) + O3 (g)  NO2 (g) OH. (g) + NO2 (g)  (g) SO2 (g) + ½ O2 (g)  SO3 (g) (katalysiert durch Vanadium, Platin, Sonnenlicht) H2O + SO3 (g)  (g) H2O + NO (g) + SO2 (g) (g) + N2O (g) HNO3 H2SO4 H2SO4 Quelle: Georg Schwedt

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

5. Anwendung in der Schule / Schulrelevanz Auszüge aus dem hessischen Lehrplan: 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

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