Anthropogene Einflüsse auf die Anthropogene Einflüsse auf die
natürlichen Stoff-Kreisläufe natürlichen Stoff-Kreisläufe
Experimentalvortrag (AC)
Experimentalvortrag (AC)
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. 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)
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.
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
3.1 Der Wasser-Kreislauf
Niederschlag = Verdunstung + Abfluss + Speicherung
3. Die Stoff-Kreisläufe
Quelle:
Marshall Cavendish
97 %
2,1 %
0,6 %
0,001 %
(Quelle: Marshall Cavendish)
Niederschlag = Verdunstung + Abfluss + Speicherung
3.1 Der Wasser-Kreislauf
Quelle: Marshall Cavendish
Abwasserentsorgung in einem Elendsviertel in Manila,
Hauptstadt der Philippinen
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 (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
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
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~informatio n)
100 80
20 40 60 0
AUS AN
LaboBib
© U/min250 mL 100 150
50
200
zur Pumpe
50 mL Rotwein
5 g Aktivkohle (Pulver)
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)
Lithosphäre 5,5 . 10 16 t CO 3 2- , SiO 4 4- , SO 4 2- Atmosphäre 1,3 . 10 14 t Disauerstoff (O 2 )
(Stratosphäre auch
O 3 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:
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 -⅓
I - (aq) + I 2 (aq) [I 3 ] - (aq)
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-Kreislauf
Quelle: www.uni-kassel.de
Demonstration 2:
Vergleich der Absorption von CO 2 -Gas und Luft
3.3 Der Kohlenstoff-Kreislauf
Foto vom Aufbau !!!
Versuchsdurchführu ng:
http://www.schule.pr 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-Ballon CO 2 -Ballon
ΔT + 1,1 °C + 0,7 °C
CO 2 -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
Quelle: Georg Schwedt
• Schwefel-Reservoire werden auf über 10 16 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.
3.4 Der Schwefel-Kreislauf
Versuch Nr. 3:
Kalkwaschverfahren
AUS AN
1000 AN
750 U/min
oC 500
0
AUS
1500 250
50 100 200 150
300
LaboBib
©zerkleinertes Pyrit (FeS
2)
1 g CaCO
3und 100 mL Wasser
pH-Meter
zur Pumpe
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)
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
Abw asse
rbeh and
lung
Stickstoff-Fixierung
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
NO x -Emissionen ausgewählter technischer Verbrennungsprozesse
3.5 Der Stickstoff-Kreislauf
Verbrennungsprozess NO x -Konzentration im Abgas [mg/m³]
NO x -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“
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)
3.5 Der Stickstoff-Kreislauf
1. Katalytische Umwandlung eines NO x /CO-Gasgemischs:
Versuch Nr. 4:
Der Autokatalysator
mL100
0 20 40 60 80
mL100 020
40
60
80
Platindrahtnetz Kolbenprober mit
NO
x-/CO-Gemisch
2. CO 2 -Nachweis:
Gasgemisch mit CO
2Gesättigte Ba(OH)
2-Lösung
mL100 020
40
60
80
