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Anthropogene Einflüsse auf die Anthropogene Einflüsse auf die natürlichen Stoff-Kreisläufenatürlichen Stoff-Kreisläufe
Experimentalvortrag (AC)Experimentalvortrag (AC)
1. Einfluss des Menschen
2. Sphärischer Aufbau der Erde
3. Die Stoff-Kreisläufe
3.1 Der Wasser-Kreislauf3.2 Der Sauerstoff-Kreislauf3.3 Der Kohlenstoff-Kreislauf3.4 Der Schwefel-Kreislauf3.5 Der Stickstoff-Kreislauf
4. Treibhauseffekt, globale Erwärmung und Saurer Regen
5. Anwendung in der Schule / Schulrelevanz
1. Die anthropogenen Einflüsse auf die natürlichen Stoffkreisläufe
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
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)
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)
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.
1. Einfluss des Menschen
2. Sphärischer Aufbau der Erde
Quelle: Georg Schwedt
2. Sphärischer Aufbau der Erde
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
3.1 Der Wasser-Kreislauf
Niederschlag = Verdunstung + Abfluss + Speicherung
3. Die Stoff-Kreisläufe
Quelle: Marshall Cavendish
97 %
2,1 %
0,6 %
0,001 %
3.1 Der Wasser-Kreislauf
(Quelle: Marshall Cavendish)
Niederschlag = Verdunstung + Abfluss + Speicherung
3.1 Der Wasser-Kreislauf
Quelle: Marshall Cavendish
Abwasserentsorgung in einem Elendsviertel in Manila, Hauptstadt der Philippinen
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
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).
Algenwachstum bestimmt durch Phosphatkonzentration im Gewässer
Fällungsreaktion:Fe3+,Al3+ + PO4
3- Fe,AlPO4
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: http://www.xfaweb.baden-wuerttemberg.de/alfaweb/berichte/mza17/gwr0111.html
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: http://www.cwaller.de/deutsch.htm?teil4_5_1_luftschadtstoffe.htm~information)
100
80
20
40
60
0
AUS
AN
LaboBib© U/min
250 mL
100
150
50
200
zur Pumpe
50 mL Rotwein5 g Aktivkohle (Pulver)
h·v
3.2 Der Sauerstoff-KreislaufPhotosynthese grüner Pflanzen:
6 CO2 (g) + 6 H2O C6H12O6 (aq) + 6 O2 (g)
3 Die Stoff-Kreisläufe
Lithosphäre 5,5 . 1016 t CO32-, SiO4
4-, 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
zur Pumpe
Gaswaschflasche mit Fritte, gefüllt mit Iodid-Stärke-Lösung
UV-Lampe
h·v
h·v
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)
3.2 Der Sauerstoff-Kreislauf
eingelagert in Stärke-Helix blauviolett
Quelle: http://www.hgr.hn.bw.schule.de/comenius/bierbrauen/images/Bilder/Biotec3.jpg
Versuch Nr. 2:Ozonbildung durch UV-Bestrahlung von Luft
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-Kreislauf3 Die Stoff-Kreisläufe
Quelle: www.uni-kassel.de
Demonstration 2: Vergleich der Absorption von
CO2-Gas und Luft
3.3 Der Kohlenstoff-Kreislauf
Foto vom
Aufbau !!!Versuchsdurchführung:
http://www.schule.provinz.
bz.it/nikolaus-cusanus/fhwbck/
treibhaus.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 CO2 mehr
Wärmestrahlung absorbiert als Luft.
Luft-Ballon CO2-Ballon
ΔT + 1,1 °C + 0,7 °C
CO2-Sequestrierung im Meer3.3 Der Kohlenstoff-Kreislauf
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
Quelle: Georg Schwedt
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.
3.4 Der Schwefel-Kreislauf
Versuch Nr. 3:Kalkwaschverfahren
AUS
AN
1000
AN
750
U/min
500oC
0
AUS
1500 25050
100
150200
300LaboBib©
zerkleinertes Pyrit (FeS2)
1 g CaCO3 und 100 mL Wasser
pH-Meter
zur Pumpe
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
Verbrennungs-prozesse
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).
Landwirtschaft
Atmosphäre
Lithosphäre Fließgewässer
Abwasserbehandlung
Stickstoff-Fixierung
3.5 Der Stickstoff-Kreislauf
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/aHaber-Bosch-Verfahren: 82 Mio t/aNOx aus Verbrennungsprozessen: 25 Mio t/a
NOx-Emissionen ausgewählter technischer Verbrennungsprozesse
3.5 Der Stickstoff-Kreislauf
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
Ölfeuerung 80 – 250 80 – 260
Gasfeuerung 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) 20 – 50 70 – 180
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 (CxHy)
und Kohlenmonoxid (CO) werden mit Stickoxiden (NOx) bzw. mit Rest-Sauerstoffzu 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)
3.5 Der Stickstoff-Kreislauf
1. Katalytische Umwandlung eines NOx/CO-Gasgemischs:
Versuch Nr. 4:Der Autokatalysator
mL
10
0
0 20
40
60
80
mL
10
0
020
40
60
80
PlatindrahtnetzKolbenprober mit NOx-/CO-Gemisch
2. CO2-Nachweis:
Gasgemisch mit CO2 Gesättigte
Ba(OH)2-Lösung
mL
10
0
020
40
60
80
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
3.5 Der Stickstoff-Kreislauf
Versuch Nr. 3:Der Autokatalysator
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
Der verstärkte Treibhauseffekt (anthropogen bedingt):
4. Treibhauseffekt, globale Erwärmung und Saurer Regen
Quelle: Marshall Cavendish
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)
4. Treibhauseffekt, globale Erwärmung und Saurer Regen
HNO3
H2SO4
H2SO4
werden durch Regen ausgewaschen:
Quelle: Georg Schwedt
und
Demonstration 3:Vergiftung von Kresse durch Schadgase
4. Treibhauseffekt, globale Erwärmung und Saurer Regen
Fotos einfügenDurchführung beschreiben,
Kresse herumgeben
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:
6. Danke…
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit !!