Gliederung Gliederung

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(2)

(3)

Gliederung Gliederung

1 D fi iti B d 1 Definition Boden 2 Bodenentwicklungg 3 Lebensraum Boden

• Fauna

• FloraFlora

4 Stoffkreislauf

5 Bodeneigenschaften 6 Boden im Unterricht 6 Boden im Unterricht

(4)

Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht Definition

1 Definition

• Unter Boden versteht man die obere,

lockere belebte Verwitterungsschicht der lockere, belebte Verwitterungsschicht der Erdkruste.

• Standort für Pflanzen & Basis für vielfältige Nahrungsnetze.

Lebensgrundlage für alle Lebewesen der Erde

Erde

(5)

Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht Definition

1 Definition

Atmosphäre Atmosphäre

Hydrosphäre Pedosphäre Biosphäre

Lith hä Lithosphäre

(6)

Definition BodenentwicklungBodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht

2 Bodenentwicklung

• Böden entstehen aus Gesteinen durch den Einfluss verschiedener Faktoren:

Einfluss verschiedener Faktoren:

• Ausgangsgestein (G)g g g ( ) Klima (K)

Vegetation & Bodenorganismen (O) Oberflächenrelief (R)

Oberflächenrelief (R)

menschliche Einwirkungen (M) Zeit (Z)

(7)

2 Bodenentwicklung

B = f (G, K, O, R, M) · Z

(8)

2 Bodenentwicklung

• Bodenbildende Verwitterungsvorgänge

Nieder- schlag

chemische schlag

Gelöste Stoffe

(9)

2 Bodenentwicklung

physikalische

Wind Wasser Tempe-

ratur

Nieder- schlag

(10)

D t ti 1 Demonstration 1

Frostsprengung p g g

(11)

2 Bodenentwicklung

physikalische

Wind Wasser Tempe-

ratur

Nieder- schlag biologische

g

Pflanzen

(12)

D t ti 2 Demonstration 2

Wurzelsprengkraft p g

(13)

2 Bodenentwicklung

(14)

2 Bodenentwicklung

• Bodenzusammensetzung:

25 % Luft

45 %

mineralische 7 %

mineralische Substanz

%

organische Substanz

23 % Wasser

(15)

Definition Bodenentwicklung Fauna- LebensraumFauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht

3 Lebensraum Boden - Fauna

Mikro-

organismen 10³³

organismen Mikro-

fauna 10²¹

fauna Meso-

fauna 10¹⁵

fauna Makro-

Fauna 180

Fauna Mega-

fauna 100

fauna

• Fläche von 1 m² und 30 cm Tiefe

(16)

Tätigkeit der Bodenorganismen

• Bodenorganismen bauen organischeBodenorganismen bauen organische Ausgangsprodukte zu anorganischen Endprodukten um

Mineralisierung = Abbauprozess

• Freisetzung von COg ₂₂

(17)

V h 1 Versuch 1

Bodenatmung g

(18)

Titration

" " + -

2 (l) 2(aq) 2 3 (aq) 3 (aq)

H O +CO H CO H +HCO

+ -

H (aq) + OH (aq) H O2 (l)

H + OH H O

- - 2-

3 (aq) (aq) 2 (l) 3 (aq)

HCO +OH H O +CO

- - -

2 (CO )₂ ₀ (OH )^- _un(OH )^- (OH )^- 2n(CO )= n (OH ) - n (OH )= n(OH )

(19)

3 Lebensraum Boden- Fauna

• Bodenorganismen scheiden eine Vielzahl von Enzymen aus

Katalase

• setzt H₂O₂ um

• Umsatzzahl von Molekülen/min eines

d ff k b h

5 10⋅ 6

der effektivsten Enzyme überhaupt

(20)

3 Lebensraum Boden- Fauna

• Katalase enthält 4 Porphyrin- Häm- Gruppen

Gruppen

tetrameres Enzym tetrameres Enzym

(21)

Versuch 2 Versuch 2

Katalasetest

(22)

Katalasewirkung

-1 -2 0

Katalase

2(aq) (l) 2(g)

2 2

2 H O

₂ ^2(aq)

⎯⎯⎯⎯→ 2H O + O

₂ ^(l) ^2(g)

↑ 2 H O → 2H O + O ↑

Katalasewert (mL O₂/min) Bodenbeurteilung 0 - 5 sehr schlecht

6 - 14 schlecht

15 25 befriedigend

26 – 49 gut

50 & höher sehr gut 50 & höher sehr gut

(23)

Katalase- Enzym

+3 -1 + +4 -2

Bildung des Eisen(IV)-Porphyrinradikalkations:

•

+3 1 + +4 2

2 2 2

Enz(Por-Fe ) +H O → Enz(Por -Fe=O) +H O^•

Rückbildung des Ferriporphyrins:

+ +4 -1 +3 0 -2

2 2

Enz(Por -Fe=O)+H O^• →Enz(Por-Fe )+O + H O

(24)

Mechanismus

Red. Form, Ruhezustand

H₂O₂ H₂O; O₂

2 e^- Transfer 2 e^- Transfer

H₂O H₂O₂

Ox Form Ox. Form, Aktives Enzym

(25)

Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Lebensraum- Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht

3 Lebensraum - Flora

• Wurzeln der Pflanzen scheiden aktiv Protonen aus

• Sie besitzen spezielle Protonenpumpen

• Der pH-Wert in unmittelbarer Umgebung der Wurzel ist um 1-2 pH Einheiten niedriger als im restlichen Boden

im restlichen Boden

(26)

Demonstration 3 Demonstration 3

Säureabgabe der Säureabgabe der

Wurzeln

(27)

Säureabgabe von Wurzeln

6,5

5,8 7,6

pH Skala BTB

(28)

Nährstoffaufnahme

• Makronährelemente:

C, O, H, N, P, S, K, Ca, Mg, Fe

• Mikronährelemente:

Mn, Zn, Cu, B, Cl

Mo, Ni, Cl

(29)

Nährstoffaufnahme

N Aminosäuren → Proteinen

P Nucleinsäuren, Adenosintriphosphat p p (ATP)

Mg Zentralatom des Chlorophylls aktiviert Mg Zentralatom des Chlorophylls, aktiviert

viele Enzyme

Fe Bestandteil der prosthetischen Gruppen verschiedener Enzyme (u.a.Katalase), wichtig für die Chlorophyllsynthese

(30)

Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora StoffkreislaufStoffkreislauf Eigenschaften Unterricht

4 Stickstoffkreislauf

• N₂-gehalt in der Atmosphäre: 78%

nicht nutzbar für die Pflanzen!

Stickstofffixierende Bakterien

• Im Boden liegt Stickstoff zu 95% in

• Im Boden liegt Stickstoff zu 95% in organischer Form vor

(31)

4 Stickstoffkreislauf

N2

biologisch

Denitrifikation

biologisch

technisch

Ammonifikation

Nitrifikation

3 3

3 4

N H⁻ N H⁻ ⁺

3

N O⁺ 2⁻ N O⁺⁵ ₃⁻ Auswaschung

(32)

4 Stickstoffkreislauf

• Haber Bosch:

katalytisch, 500 °C, 200 bar

3H +N 2NH +92kJ

K öll h b kt i

2(g) 2(g) 3(g)

3H +N 2NH +92kJ

• Knöllchenbakterien:

enzymatisch, Umgebungstemp., Normaldrucky , g g p ,

Nitrogenase

- +

N +8 e +8H +16 ATP2 ⎯⎯⎯⎯⎯→

3 2 i

2NH +H +16ADP +P

(33)

V h 3 Versuch 3

Nitratnachweis

(34)

Nitratnachweis

+5 +2

2+ + 3+

- 2+ + 3+

3 (aq) (aq) (aq) (aq) (aq) 2

N O +3Fe + 4 H →3Fe + N O +2H O

+2 +2 +2

2+

(aq) 2 6 2 5 (aq) 2

N O + Fe (H O)⎡⎢⎣⎣ ⎤⎥⎦⎦ → ⎡⎢⎣⎣Fe (H O) (NO)⎤⎥⎦⎦ +H O

brauner Ring

(35)

Gesetz des Minimums

Justus von Liebig Justus von Liebig,

1850

(36)

Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf EigenschaftenEigenschaften Unterricht

5 Bodeneigenschaften

• Tonminerale bilden sich durch die Verwitterung von Silicatgesteinen

• Die Grundbaueinheit der Silikate:

(37)

Tonminerale

• Isomorpher Ersatz des Si⁴⁺-Ions durch Al³⁺

negative Überschussladung

• Sie ähneln den Schichtsilicaten

• Schichten von (Si, Al)O( , ) ₄₄- Tetraedern &

(Al, Mg, Fe)O₆-Tetraedern

(38)

Tonminerale

Tetraederschicht

Zwischenschichtkationen K⁺

O^2-

Tetraederschicht Si⁴⁺/ Al³⁺

OH^-

Oktaederschicht OH

Al³⁺

Tetraederschicht

(39)

V h 4 Versuch 4

il i k

Filterwirkung von Böd

Böden

(40)

Filterwirkung von Böden

Br Br

O

Br Br

O

HO N

Br Br

COO^-

S

N N

H₃C CH₃

COO CH₃ CH₃

(41)

Definition Bodenentwicklung Fauna- Lebensraum -Flora Stoffkreislauf Eigenschaften Unterricht

B d i h ft

Eigenschaften

Bodeneigenschaften

• Die Bodenmatrix ist negativ geladen

• Neben Tonmineralien sind auch Huminstoffe negativ geladen

negativ geladen

Humusbildung ist ein Aufbauprozess Humusbildung ist ein Aufbauprozess

A P tik l F t

• Anorg. Partikel + org. Fragmente Ton- Humus- Komplexe

(42)

Bodeneigenschaften

• Boden ist ein Kationenaustauscher Reservoir für Pflanzennährstoffe

verhindert die Auswaschung aus dem Bodeng bindet jedoch auch Schwermetallkationen

bindet jedoch auch Schwermetallkationen

(43)

Bodeneigenschaften

Kationenaustausch- - + -

- Kationenaustausch-

kapazität:

-

- +

+ +

Tonmineralien:

0,2 – 0,8 mol/kg - -

- + +

+ +

Org. Substanzen:

1,5 – 5 mol/kg -

- -

+ + -

-

+ + + Sternschicht

Elektrische Doppelschicht

Diffuse Ionenschicht

(44)

Versuch 5 Versuch 5

Ionenaustausch

(45)

Verdrängungsreaktion

+

+ H O3

Ca²⁺

Na⁺ Mg²⁺

K⁺ Na⁺

Fe³⁺ Ca²⁺

Na⁺ Mg²⁺

K⁺ Na⁺ Fe³⁺

H₃O⁺

+ H O3

Ca²⁺

Na Al³⁺

Fe³⁺ Ca²⁺

K

Ca²⁺

Al³⁺

Fe³⁺ Ca²⁺

K⁺ H₃O

Ca²⁺

M ²⁺ Fe³⁺ Ca²⁺

M ²⁺K⁺ K⁺Fe³⁺

2

Na⁺ Al³⁺

Mg²⁺

Ca²⁺

K⁺ Na⁺

Ca²⁺

Ca Na⁺

Al³⁺

Mg²⁺

Ca²⁺

K⁺ Na⁺ K⁺K⁺

+ K+

2 2

Ca²⁺Fe³⁺ Ca

Fe³⁺K⁺ K⁺

K⁺

2+ 2-

(aq) 2 4 (aq) 2 4(s)

Ca +C O CaC O

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7 Boden ein Thema für den

Unterricht

7 Boden- ein Thema für den Chemieunterricht

Chemieunterricht

• Erlernen chemischer Basiskonzepte

• Fachübergreifender Aspekte (Biologie, Geographie)

Geographie)

Lebensweltbezug

• Lebensweltbezug

Sensibilisierung für Umweltbelange

• Sensibilisierung für Umweltbelange

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L h l b (G8)

Unterricht

Lehrplanbezug (G8)

• 9. Klasse

W l R kti t

Wasser als Reaktionspartner

A fb d F kti Böd

• Aufbau und Funktion von Böden

• Bodenuntersuchungen:

Nachweis von Mineralsalzen Nachweis von Mineralsalzen Ionenaustauschkapazität

Ionenaustauschkapazität

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