Das Thema „LUFT“ im Chemieunterricht

für das Lehramt an Gymnasien im Fach Chemie,

eingereicht dem Amt für Lehrerbildung – Prüfungsstelle Marburg.

Thema:

Das Thema „LUFT“ im Chemieunterricht

Verfasserin: Christina Maria Erbar, Manuelstraße 9, 56218 Mülheim-Kärlich

Gutachter: Prof. Dr. B. Neumüller

Bei dieser Datei handelt es sich um eine Wissenschaftliche Hausarbeit, die im Bereich Lehramt am Fachbereich Chemie der Uni Marburg verfasst wurde.

Weitere Hausarbeiten können auf der Seite www.chids.de unter http://www.chids.de/veranstaltungen/wiss_hausarbeit.html eingesehen und heruntergeladen werden.

Zudem stehen auf der Seite www.chids.de weitere Versuche, Lernzirkel und Experimentalvorträge bereit.

Dr. Ph. Reiß, im Januar 2007

Seite 1. Einleitung und Zielsetzung 1 2. Das Thema „Luft“ und „Luftbestandteile“ im 4 hessischen Lehrplan Chemie

3. Unsere Luft – Ein lebensnotwendiges Gasgemisch 8 3.1 Aus lebensfeindlich wird lebensfreundlich – Die Evolution 8 der Erdatmosphäre

3.2 Die Zusammensetzung der Luft 12

3.3 Der Aufbau der Atmosphäre 13

3.4 Technische Gewinnung der Hauptinhaltsstoffe 15 4. Der molekulare Stickstoff – „Verdorbene Luft“ 19 4.1 Woher kommt der Name Distickstoff? 19

4.2 Physikalische Eigenschaften 19

4.3 Chemische Eigenschaften 22

4.4 Ein Gas „geht“ um die Welt – Der Distickstoffkreislauf 27 4.4.1 Fixierung des molekularen Luftstickstoffs 27

a) Atmosphärische Fixierung 27

b) Biologische Fixierung 29

c) Technische Fixierung 30

4.4.2 Freisetzung von molekularem Stickstoff 31 5. „Luft zum Atmen“ – Der molekulare Sauerstoff 33 5.1 „Feuerluft“ – „Lebensluft“ – „Oxygen“ 33

5.2 Physikalische Eigenschaften 36

5.3 Chemische Eigenschaften 37

5.4 Atmung und Photosynthese – Ein Disauerstoffkreislauf 41 EXKURS: Was passiert in unserer Lunge 43 6. „Edler Duft liegt in der Luft“ – Die Edelgase 47 6.1 Das Argon – Mehr drin als man denkt! 48 6.2 Das Helium – Ein leichtes Gas zum Fliegen! 49

6.3 Leuchtstoffröhren 52 7. Das Kohlenstoffdioxid 53

7.1 Natürliche Entstehung und Technische Gewinnung von 53 gasförmigem CO2

7.2 Chemische und physikalische Eigenschaften 54

7.3 Der natürliche Treibhauseffekt 56

7.4 Ferien am Lake Nyos – Besser nicht! 61

8. Natürliches Ozon – Schutzschicht der Erde und Lebewesen 64

8.1 Eigenschaften 64

8.2 Darstellungsarten 66

8.2.1 Chemische Darstellung 67

8.2.2 Photochemische Darstellung 68

8.2.3 Elektrische Darstellung 68

a) Siemensscher Ozonisator 68

b) Elektrolyse 69

8.3 Ozon – Ein starkes Oxidationsmittel 70

8.4 Was passiert in der Stratosphäre? 70

8.5 Technische Verwendung von Ozon 72

9. „Spuren von Gasen“ 74 10. Wasser in der Luft 77

10.1 Ein kurzer Steckbrief von Wasser 78

10.2 Der Wasserkreislauf 78

10.3 Warum trocknet unsere Wäsche – Das Verdampfen 80 EXKURS: Drei-Minuten-Ei oder Fünf-Minuten-Ei? 83

10.4 Die Luftfeuchtigkeit 85

10.5 Die Kondensation von Wasser: Niederschläge 87 11. Der Luftdruck und verschiedene Gasgesetze 90

11.1 Der Luftdruck – Ein Exkurs in die Physik der Mittelstufe 90 11.2 Das Guericke Experiment und wie messe ich den Luftdruck 92

11.4 Reaktionen von Gasen 98 12. Schadstoffbelastung der Luft 100

12.1 Was ist Smog? 100

12.1 Oben hui unten pfui – „Bodennahes“ Ozon und das Ozonloch 102

12.2 Regnet es wirklich Säure? 106

12.3 Der anthropogene Treibhauseffekt 107 13. Versuchsprotokolle und Arbeitsblätter 109 Arbeitsblatt 1: Die Entstehung der heutigen Atmosphäre 110 Versuch 1: Die Hauptbestandteile der Luft 112 1.1 Eine Kerze er Stick(stoff)t!

1.2 Wie viel „Luft“ bleibt übrig?

Arbeitsblatt 2: Hausaufgabenversuche zur Zusammensetzung der Luft 114 Versuch 2: Dichte und molare Masse von Gasen – schnell 115

und unkompliziert

Arbeitsblatt 3: Ein Modell für ein Modell 116 Versuch 3: Aus der Luft in den Boden – Blitze fixieren N2 117 Versuch 4: Disauerstoff aus Kupfer(II)-oxid 118

4.1 Darstellung von molekularem Sauerstoff 4.2 Die Glimmspanprobe

Versuch 5: Eine sehr kalte, hellblaue Flüssigkeit 120 5.1 Darstellung von flüssigem, molekularem ³O2

5.2 Sinkende blaue Blasen 5.3 Achtung: Explosiv!

5.4 Zum Paramagnetismus des ³O2

Versuch 6: Vergleich von Helium und molekularem Wasserstoff 124 6.1 Aufstieg in schwindelerregende Höhen

6.2 Backdraft!

Demonstration 1: Der fliegende Teebeutel 126

Versuch 7: Gute Luft – schlechte Luft 127

7.1 Qualitativer CO₂ – Nachweis 7.2 Quantitativer CO₂ – Nachweis

Arbeitsblatt 4: Zusammenhang zwischen der Temperatur eines Planeten 133 und der Zusammensetzung seiner Atmosphäre

Demonstration 2: Der natürliche Treibhauseffekt 134 Versuch 9: Entzündung von Ethanol durch Ozon 136 Versuch 10: Ozon – Lebenswichtiger Schutzschild 138

10.1 Elektrolyse – Gase aus einer Flüssigkeit 10.2 Reaktionen mit Ozon

10.2.1 Geschwärzte Kartoffeln

10.2.2 Eine Farbtonleiter

10.2.3 Raus mit dem Eisen!

10.2.4 Abbau von Ozon durch CFKWs

Arbeitsblatt 5: Woher kommt der spezielle Geruch auf 143 der Sonnenbank und am Kopierer?

Versuch 11: Qualitativer Wassernachweis: Es ist feucht in unserer Luft 144

Versuch 12: Luftfeuchtigkeit 145

12.1 Wie viel Wasserdampf ist in der Luft?

12.2 Wie viel Wasserdampf kann die Luft aufnehmen?

Arbeitsblatt 6: Der Wasserkreislauf – Mit Hazweioh auf Reisen 148

Versuch 13: Der Druck der Luft 150

13.1 Ein starkes Blatt Papier

13.2 Mini (Dick-)mann ganz groß!

13.3 Eine Hand zum Greifen

Demonstration 3: Die Smog-Wetterlage 152

Versuch 14: Warm oder kalt – Schadstoffe im Temperaturverlauf 153

Domino-Spiel zum Thema Luft 154

Tabelle der Richtlinien und Sicherheitssätze der verwendeten Chemikalien 156

14. Literaturangaben 160

14.1 Literaturverzeichnis 160

14.2 Abbildungs- und Tabellenverzeichnis 167 Versicherung zur selbständigen Anfertigung der Arbeit

1. Einleitung und Zielsetzung

Das Thema „Luft“ wird laut Lehrplan direkt oder indirekt in fast allen Jahrgangsstufen behandelt (vgl. Kap. 2). Deshalb ist aber die Frage nach dem „Bildungsgehalt im Bildungsinhalt“ (Klafki) [1] noch nicht geklärt, heißt „Warum wird der Lerninhalt überhaupt vermittelt, ist er für die Schüler wichtig?“

Genau diese Frage, hat mich bei der Auswahl des Themas der vorliegenden Arbeit beschäftigt.

Dass das Thema „Luft“ für die Schüler bedeutsam ist, sieht man an einigen Punkten in der vorliegenden Arbeit sehr deutlich: die Luftfeuchtigkeit bestimmt das aktuelle Wettergeschehen, wie die Bildung von Regen, Schnee und Hagel, mit dem die Schüler täglich konfrontiert sind, („Regenjacke oder kurze Hose?!?“). Weiterhin wird in Kapitel 12 „Die Schadstoffbelastung unserer Luft“ sichtbar, dass auch die Luftverschmutzung eine starke Gegenwartsbedeutung für die Schüler hat, wie die Diskussion um die Ozonbelastung im Sommer 2006 zeigt.

Die Bedeutung für die Zukunft der Schüler ist dadurch gegeben, da die Spätfolgen heute noch nicht abzusehen sind. Sie lernen daran das Prinzip, nicht immer alles Neue auszuprobieren, ohne zu wissen, was es für Folgen haben kann.

Ein weiteres Beispiel, das verdeutlicht, wie nah die Inhalte der vorliegenden Arbeit an der Lebenswelt der Schüler sind, ist ein Exkurs, der den chemischen Ablauf in der menschlichen Lunge bei der Atmung thematisiert.

Die im obigen Abschnitt kurz skizzierten, ausgewählten Beispiele zeigen, dass die Auswahl des Themas Luft durch seinen Allgemeinbildungsgehalt gerechtfertigt ist.

Das erste Ziel der Arbeit ist somit die didaktische Begründung der ausge- arbeiteten Themen. Diese ist schon durch die Auswahl der Themen gegeben.

Um dies in der Schule umzusetzen, werden im Laufe der Arbeit verschiedene Methoden vorgeschlagen, von denen im Folgenden einige beispielhaft aufgeführt sind.

Ein historisch orientierter Unterricht ist an manchen Stellen der Arbeit erstrebenswert. Dadurch, dass die Schüler dieselben Gedankengänge vollziehen wie z.B. Carl Scheele, der den molekularen Stickstoff und den molekularen Sauerstoff entdeckt hat, haben sie den Lerninhalt „selbst gefunden“ und müssen ihn nicht – im klassischen Sinne – lernen.

Einige Themen, z.B. der Kreislauf, den der molekulare Stickstoff in der Atmosphäre durchläuft, sind sehr komplex und würden im Unterricht zu viel Zeit beanspruchen, um sie vollständig zu erarbeiten. Deshalb kann hier, und an einigen anderen Stellen, der Unterrichtsstoff in Form von Schülerreferaten vorgetragen werden.

Die der Literatur entnommenen Versuche wurden möglichst so ausgewählt oder ver- ändert, dass sie von Schülern durchgeführt werden können. Sie sind dem Wissens- stand der verschiedenen Jahrgangsstufen angepasst. Dadurch wird die Aktivität der Schüler gefordert und gefördert, weshalb meistens die Lerninhalte besser behalten werden (Pestalozzi: Lernen mit Kopf, Herz und Hand).

Weiterhin können einige Versuche in Form von Hausaufgabenversuchen durch- geführt werden. Dadurch können die Schüler in einer ihnen vertrauten Umgebung arbeiten und so eventuell einen eigenen Zugang zur Chemie finden.

Da es, durch die Auswahl des Themas bedingt, schwierig ist, den Gegenstand „Luft“

direkt zu „greifen“, wurden einige realitätsnahe Modelle erdacht: Die Zusammen- setzung der Luft wird beispielsweise durch Legosteine veranschaulicht, da die Form eines dreidimensionalen Modells die Realität wesentlich stärker verdeutlicht, als eine zweidimensionale Graphik.

Zwei weitere Modelle werden aus einfachen Alltagsgegenständen, wie z. B. Büro- klammern, Holzkugeln und Gummibändern, hergestellt. Diese sind weder teuer, noch aufwändig herzustellen und deshalb sehr gut für den Schulalltag geeignet.

Das erste Modell aus Büroklammern soll den Schülern die Dreifachbindung im molekularen Stickstoff näher bringen. Da sie es sich selbst ausdenken müssen, immer wieder probieren und überlegen, verwerfen, neu ersinnen usw. bleibt die Genese und das Modell als solches wesentlich besser in den Köpfen der Schüler haften.

Das zweite Modell besteht aus drei Holzkugeln, die über Gummi-Bänder miteinander verbunden sind. Es stellt das Kohlenstoffdioxidmolekül dar. Hieran werden, durch einfaches Ausprobieren, die drei verschiedenen Schwingungstypen anschaulich ver- deutlicht.

Insgesamt stärken die Modelle die Vorstellungswelt der Schüler und sollen, ebenso wie erstellte Arbeitsblätter, den Unterricht abwechslungsreicher gestalten und die von den Schülern als kompliziert empfundenen Inhalte anschaulicher machen.

Es wurden sowohl ältere als auch aktuelle Schulbücher verwendet, da sie verschieden Anregungen, z.B. einen Steckbrief über ein Element zu erstellen, und unveränderliche Prinzipien der Chemie beinhalten, die der Schüler darin nachlesen kann.

Das entwickelte Domino-Spiel, welches am Ende einer Unterrichtseinheit dazu dienen kann, die gelernten Inhalte zu wiederholen, ist eine andere Art der Zusammenfassung eines Themas.

Auch Artikel aus populärwissenschaftliche Zeitschriften wie dem National Geo- graphic, werden verwendet, da deren Inhalte in Alltagssprache beschrieben sind. Sie bieten den Schülern eine andere Möglichkeit des Zugangs zur Chemie und können Interesse wecken.

Die methodische Umsetzung der ausgearbeiteten Themen ist somit das zweite Ziel, welches in der vorliegenden Arbeit umgesetzt werden soll.

Ein drittes Ziel der Arbeit ist es, das Thema „Luft“ umfassend zu behandeln.

Deshalb werden auch nicht-chemische Themen, z.B. der physikalische Aspekt des Luftdrucks und die Strahlungsbilanz des Systems Erde/Atmosphäre, die normalerweise im Fach Geographie bearbeitet wird, thematisiert. Um diese möglichst schulnah darzustellen, wurden Schulbücher der Fächer Physik und Geographie konsultiert.

Auch das Thema Ozon, seine Darstellung, Verwendung und Eigenschaften steht nicht im Lehrplan Chemie (G9). Da es aber alltagsrelevant für die Schüler ist, wie die Diskussion im Sommer 2006 zeigt, wird es im Rahmen dieser Arbeit erläutert.

Alle drei so formulierten Ziele entsprechen denen, die in der Schule vor jeder Unterrichtseinheit überdacht werden müssen. Deshalb wurden sie möglichst in jedem Kapitel der vorliegenden Arbeit umgesetzt.

2. Das Thema „Luft“ und „Luftbestandteile“ im hessischen Lehrplan Chemie [2]

In diesem Kapitel wird eine Gesamtübersicht darüber gegeben, wo das Thema Luft im Lehrplan Chemie (Gymnasialer Bildungsgang, Jahrgangsstufe 8 bis 13 (G9)), „Teil B:

Unterrichtspraktischer Teil“ als eigenständiges Thema formuliert und wo die verschiedenen Luftbestandteile in unterschiedlichen Unterrichtseinheiten direkt und indirekt auftauchen und verwendet werden können. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird in den verschiedenen Kapiteln an passender Stelle darauf verwiesen, wo der gerade besprochene Lerninhalt im Lehrplan steht.

Hierbei zeigt die Laufende Nummer (Lfd. Nr.) in der ersten Ziffer immer die Jahrgangs- stufe, in der zweiten die Großkapitel an. So ist z. B. die Lfd. Nr. 8.2 das zweite große Kapitel der Jahrgangsstufe 8.

Diese Großkapitel unterteilen sich in „verbindliche Unterrichtsinhalte/Aufgaben“, die wiederum in Unterkapitel unterteilt sind. Hier orientiert sich die erste Ziffer am Großkapitel, die zweite an der Reihenfolge der Unterkapitel. Somit ist z.B. 8.1.2 die Lfd. Nr. 8.1 und das Unterkapitel 1.2. In diesen Unterkapiteln werden die konkreten Lerninhalte aufgelistet. Sie werden durch Stichworte in einer nebenstehenden Spalte aufgeschlüsselt und konkretisiert. Zuletzt beinhaltet der Lehrplan „fakultative Unterrichtsinhalte/Aufgaben“. Diese stehen im Verlauf des Lehrplans nach den verbindlichen Unterrichtsinhalten erhalten, da sie als Ergänzung dienen, dieselbe Nummer. Am Ende jeder Lfd. Nr. werden „Querverweise auf die Lehrpläne anderer Fächer“ sowie der Hinweis zur „Berücksichtigung von Aufgabengebieten“ gegeben.

Betrachtet man den Lehrplan, sieht man, dass das Thema Luft im Rahmen der Lfd. Nr.

8.2 „Die chemische Reaktion - Stoffumsatz und Energieumsatz“ erstmals benannt wird.

Hier soll unter 2.1 „Einführung in die Chemische Reaktion“ die „quantitative Zusammensetzung der Luft“ besprochen werden.

Dazu gehören das „experimentelle Erarbeiten des Sauerstoffanteils der Luft“, die

„natürlichen Luftbestandteile“, „Eigenschaften von (molekularem) Sauerstoff und Stickstoff“, „Spurengase“ und die „Gefährdung der Umwelt durch Nichtmetalloxide in der Atmosphäre“. Fakultativ können hier „historische Aspekte (Lavoisier, Scheele)“,

„Sauerstoff und Oxidation“ sowie der „Kreislauf des Sauerstoffes“ und die

„Luftverflüssigung“ besprochen werden.

Ebenfalls sind „experimentelle Hausaufgaben“ und ein „Projektunterricht“ zum Thema Luft an dieser Stelle im Unterricht laut Lehrplan denkbar und erwünscht.

Weiterhin sollen die Aufgabengebiete „Ökologische Bildung und Umwelterziehung:

Luftschadstoffe durch Nutzung fossiler Brennstoffe und Möglichkeiten ihrer Verminderung/Wirkung auf Mensch und Umwelt; kritische Betrachtung des Treibhauseffektes“ berücksichtigt werden.

Die in der Luft vorhandenen Gase können vorher im Unterricht verwendet werden, z.B.

in Lfd. Nr. 8.1 „Stoffe – Strukturen – Eigenschaften“, indem man unter 1.2 „Stoffe und ihre Eigenschaften“ und 1.3 „Teilchenmodell der Materie“ die Dichte der Stoffe und im fakultativen Lerninhalt 1.2 auch die „Dichte von Gasen“ bespricht.

Hier kann man z.B. Wasserstoff und Helium miteinander vergleichen und mit Hilfe der Gasmolwaage schon die Dichte von Distickstoff und Disauerstoff bestimmen, bevor ihr genauer Anteil in der Atmosphäre geklärt wird.

Die „Luftfeuchtigkeit“, also das Vorhandensein von Wasser in allen Aggregatzuständen in der Luft, kann unter 2.2 „Wasser und Wasserstoff“ der Lfd. Nr. 8.2 „Die chemische Reaktion – Stoffumsatz und Energieumsatz“ behandelt werden.

In der Lfd. Nr. 9.1 „Einführung in die chemische Symbolsprache und ihre Anwendung“

wird in 1.1 „Bausteine der Materie“ das „Gesetz der konstanten Massenverhältnisse“

erklärt, das anhand der „Zerlegung von Oxiden“, also z.B. die Darstellung von Disauerstoff aus Kupferoxid, erarbeitet werden kann.

Bei der Einführung der „Chemischen Symbole und ihre Bedeutung“, ebenfalls unter 1.1, werden die „Elementsymbole“ und „molaren Massen“ besprochen. Es folgt unter 1.2

„Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen“ das „Verhalten von Gasen“ und somit u. a. die „These von Avogadro“, das „molare Volumen“, die „molare Masse von Gasen“

und schließlich die „Zweiatomigkeit gasförmiger Elementmoleküle“.

Im fakultativen Lerninhalt 1.2 können die „Volumenverhältnisse bei Gasreaktionen (Gesetz von Gay-Lussac)“ besprochen werden.

Auf die bisher gewonnenen Kenntnisse, z.B. die Zweiatomigkeit, kann man dann in der Jahrgangsstufe 10 Lfd. Nr 10.2 „Elektronenpaarbindungen/Atombindung“ zum Thema 2.2 „Lewis-Formeln“ zurückgreifen und u. a. die Dreifachbindung des Distickstoffs und weitere Strukturen der bisher bekannten Luftbestandteile erklären.

Ebenfalls kann im Zusammenhang der „Struktur-Eigenschafts-Beziehung“ die Anomalie des Wassers besprochen werden.

In Lfd. Nr. 10.3 „Säuren, Laugen, Salze“ und „Protolysereaktionen“ werden unter 3.2

„Herstellung und Eigenschaften von Säuren“, also u. a. das Thema „Emissionen von Stickstoffoxiden“ (saure Niederschläge) und unter 3.4 „Anwendung der Säure-Base- Theorie nach Broensted“, also „Nitrate“ und „Düngemittel“ behandelt. Unter „Berück- sichtigung von Aufgabengebieten“ sind in dieser Jahrgangsstufe „Stoffkreisläufe“

aufgeführt.

In der Jahrgangsstufe 11, Lfd. Nr. 11.1 „Redoxreaktionen“, unter 1.2 „Ausgewählte Redoxreaktionen“ kann z.B. die Darstellung von Ozon durch „Elektrolyse“ von Schwefelsäure besprochen werden.

Die Umweltprobleme, die durch Chlor-Fluor-Kohlenwasserstoffe entstehen, werden unter Lfd. Nr. 11.2 „Einführung in die Kohlenstoffchemie“, 2.3 „Halogenkohlen- wasserstoffe“ besprochen.

In der Jahrgangsstufe 13, sowohl im Leistungskurs (LK) als auch im Grundkurs (GK), werden die Luftbestandteile indirekt z.B. bei der Fixierung von Stickstoff bei der Ammoniaksynthese in Lfd. Nr. 13.1 „Das chemische Gleichgewicht“, Kapitel 3 (GK) bzw. Kapitel 5 (LK) „Prinzip vom Zwang“, welches in den Lehrbüchern als Prinzip vom kleinsten Zwang bzw. Flucht vor dem Zwang beschrieben wird, erwähnt. Bei der

„Berücksichtigung von Aufgabengebieten“ werden explizit die „Ökologische Bildung und Umwelterziehung: Saurer Regen, Waldsterben“ (LK) und im GK zusätzlich die

„Untersuchung von Boden, Luft und Wasser“ beschrieben.

Im Rahmen der „Umweltchemie/Umweltanalytik“ als eines der Themen in Lfd. Nr. 13.2

„Wahlthema Angewandte Chemie“ wird sowohl im LK als auch im GK das Thema Luft konkret aufgegriffen. Hierbei werden die „Chemische Untersuchung von Luft“,

„Maßnahmen zur Reinhaltung von Luft“, „Nachweisgrenzen/Grenzwerte: Festlegung, Einhaltung, Überwachung“, z.B. von Ozon, neben Boden- und Wasseruntersuchungen durchgeführt.

Das im Rahmen dieser Arbeit behandelte Kapitel zum Thema „Luftdruck“ findet man nicht im Lehrplan Chemie, sondern im Lehrplan (G9) für das Fach Physik. [3] In der Klassenstufe 8 stehen im Lehrplan drei fakultative Themen, 8.3 a) „Von Druck und Auftrieb“, 8.3 b) „Akustik“ und 8.3 c) „Farben“, zur Auswahl..

Verbindliche Unterrichtsinhalte in 8.3 a) „Von Druck und Auftrieb“ sind „Erfahrungen mit Druck“ und darunter „Schweredruck“, „Druck von Flüssigkeiten und Gasen“ sowie

„Luftdruck“. Weiterhin sollen „Druckänderung und Wärme“ besprochen werden. Das dritte Unterkapitel zum Thema „Von Druck und Auftrieb“ ist der „Auftrieb in Wasser und Luft“. Hierbei werden das „Archimedische Gesetz“ und die Funktionsweise von

„Ballons“ diskutiert [3].

3. Unsere Luft – Ein lebensnotwendiges Gasgemisch

Luft ist überall. Wir sind von ihr umgeben und „baden“ in ihr [4]. Für uns ist es selbstverständlich, dass sie da ist, denn ohne Luft können wir Menschen nicht atmen, nicht überleben.

Aber war sie denn schon immer da? Oder hat sie sich im Laufe der Entstehung der Erde verändert? Ein Zitat aus Hoimar von Ditfurths bekanntem Buch Am Anfang war der Wasserstoff gibt über diese Frage Aufschluss:

„ […] wurde vor einigen Jahren die gänzlich unerwartete Tatsache entdeckt, dass die heutige Atmosphäre unserer Erde gar nicht die ursprüngliche ist.“ [5]

Abb. 2: Hoimar von Ditfurth

Wie diese Entwicklung abgelaufen ist, klärt das folgende Kapitel.

3.1 Aus lebensfeindlich wird lebensfreundlich – Die Evolution der Erd- atmosphäre

Die Evolution der Erdatmosphäre ist eng an die Entstehung des Lebens geknüpft.

Hierzu gibt es drei wissenschaftlich fundierte Theorien.

Eine davon ist die von William Martin und Michael Russel vertretene Theorie, dass das Leben an den sogenannten Schwarzen Rauchern entstanden ist. Diese Tiefsee- Vulkane, die erst 1977 vor den Küsten der Galapagos Inseln entdeckt wurden, speien heißes Magma aus, weshalb es um sie herum bis zu 300 °C heiß ist [6].

Sie liefert genügend Energie, um die Polymerisation von Biomolekülen einzuleiten

[7]. An den Schwarzen Rauchern leben noch heute riesige Röhrenwürmer, die weder Magen noch Darm besitzen und sich eigentlich – im klassischen Sinne – nicht ernähren könnten. Ihr Inneres ist von Bakterien besiedelt, die das schwefelhaltige Wasser in Nährstoffe umwandeln und diese an die Würmer weitergeben.

Im Gegenzug dazu helfen die Würmer den Bakterien, durch Stoffwechselreaktionen die Schwefelverbindungen umzusetzen [6]. Dies spricht dafür, dass sich hier das Leben entwickelt haben könnte.

Eine zweite Theorie besagt, dass das Leben aus dem Weltall stammen könnte.

Da in einigen Meteoriten organische Moleküle, u. a. Aminosäuren, nachgewiesen werden konnten, ist es denkbar, dass diese zunächst dort entstanden und in der Zeit, als noch viele Meteoriteneinschläge auf der Erde erfolgten, hier „gelandet“ sind [7].

Aus diesen Aminosäuren kann sich dann auf der Erde Leben entwickelt haben.

Die dritte Theorie besagt, dass das Leben aus der Ursuppe entstanden ist. Hierzu wurde in den 1950er Jahren von Miller und Urey ein Experiment durchgeführt, das zeigte, dass durch Zufuhr von Energie aus Blitzen aus anorganischen Molekülen wie Ammoniak, Methan, Wasser und Diwasserstoff organische Moleküle wie z.B.

Aminosäuren und niedere Carbon- und Fettsäuren gebildet werden können.

Um die dritte Theorie genauer zu erklären, wird zunächst die Evolution der Atmosphäre besprochen.

Vereinfacht kann man sich diesen Prozess so vorstellen: Man beginnt bei der Ur- Atmosphäre, die auch Methanatmosphäre genannt wird und hauptsächlich aus Methan, Diwasserstoff, Ammoniak und Wasserdampf [8] besteht. Da die Temperaturen der Erdoberfläche nach deren Entstehung mehr als 100 °C betragen, gleicht das System Erde/Atmosphäre dem inneren eines Teekessels ^[7].

Der hohe Wasserdampfgehalt in der Atmosphäre sorgt dafür, dass kein Sonnenlicht auf die Planetenoberfläche dringen kann. Ein wenig Helligkeit liefern Blitze der un- unterbrochenen Gewitter, der entstehende Regen kommt aber nie auf dem Boden an, da er auf Grund der hohen Temperaturen direkt wieder verdampft.

„Ein Astronaut, der jemals auf einen solchen Planeten stieße, auf dem solche Bedingungen herrschen, würde wohlweislich einen großen Bogen machen.“ [5]

Die Erde beginnt auszukühlen, die Kruste wird fest und es bilden sich riesige Vulkane, die immer wieder die in der Kruste gebundenen leichtflüchtigen Bestandteile bei ihren Ausbrüchen zu Tage fördern [7].

Die Erde kühlt weiter ab, so dass der Regen den Boden erreichen kann ohne sofort wieder zu verdampfen und dort riesige Ur-Ozeane bildet [7].

Durch Blitze und Strahlentätigkeit werden Methan, Ammoniak und Wasser zu Kohlenstoffdioxid, Distickstoff und Diwasserstoff umgesetzt. Der spezifisch leichtere, molekulare Wasserstoff geht durch Diffusion in den Weltraum verloren [8].

CH4 (g) + 2 NH3(g) + 2 H2O(g) + hν CO2(g) ↑ + N2(g) ↑ + 7 H2(g) ↑ Kohlenstoffdioxid wird im Wasser gelöst und bildet mit Magnesium- bzw.

Calciumkationen die entsprechenden Carbonate [7].

CO2(g) + 3 H2O + Ca²⁺/Mg²⁺(aq) Ca/MgCO3(s) ↓ + 2 H3O⁺(aq)

So entsteht die zweite Atmosphäre unseres Planeten. Sie besteht hauptsächlich aus Stickstoffmolekülen und wird deshalb Stickstoffatmosphäre genannt.

In ihr enthalten sind immer noch Spuren von Diwasserstoff, Wasserdampf, gas- förmigem Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid [8].

Da bis zu diesem Zeitpunkt noch kein Disauerstoff vorhanden ist und das Leben – in der Form, wie wir es kennen – ohne ihn nicht existieren kann, muss als nächstes geklärt werden, woher dieser stammt.

Sehr stark vereinfacht stellt man sich dies wie folgt vor:

Der erste freie Disauerstoff stammt aus dem Wasser. Er entsteht durch Photo- dissoziation, der Zerlegung des Wassers durch UV-Licht.

UV-Licht

2 H2O(g) 2 H2(g) + O2(g)

Gleichzeitig dringt diese Strahlung, die Energiequelle zum Aufbau erster organischer Lebensbausteine, in die obersten Schichten der Ur-Ozeane ein und bildet dort größere Moleküle. Sind sie gebildet, würden sie von der aggressiven UV-Strahlung sofort wieder zerstört, wäre nicht der Disauerstoff vorhanden, der die Strahlung abfängt [5].

UV-Strahlung

- Großmoleküle entstehen

- 2 H₂O + hν 2 H_2(g) + ³O_2(g) ³O2fängt UV-Strahlung ab, weder neue Großmoleküle noch Disauerstoff entstehen

Mehr ³O2, immer weniger UV-Strahlen dringen durch

3O2wird abgebaut

Abb. 3: Kreislauf des entstehenden Lebens [5]

Dieser Kreislauf wiederholt sich so lange, bis sich aus den Großmolekülen in den Tiefen des Meeres, in die keine UV-Strahlung eindringt, primitive Einzeller gebildet haben. Nach und nach entwickelt sich die Photosynthese und es entsteht mehr Disauerstoff. Dieser wird zunächst bei der Bildung von Eisen(III)-oxid aus Eisen(II)- kationen gebunden.

4 Fe²⁺(aq) + O2(g) + 12 H2O 2 Fe2O3(s) ↓ + 8 H3O⁺(aq)

Danach steigt der Gehalt an Sauerstoffmolekülen stetig an und dadurch, dass sie die UV-Strahlung absorbieren, kann sich schließlich das Leben an Land entwickeln [8].

Diese dritte, noch heute bestehende Atmosphäre wird als Sauerstoffatmosphäre bezeichnet.

Der heutige Disauerstoff, der sich in der Atmosphäre befindet, entsteht durch die Photosynthese der Pflanzen. Dies wird in Kapitel 5.4 „Atmung und Photosynthese – Ein Disauerstoffkreislauf“ genauer erklärt.

Diese Theorie kann man den Schülern in vereinfachter Form zum Beispiel im Leistungskurs als Einführung in das Wahlthema „Umweltchemie/Umweltanalytik“ in der Jahrgangsstufe 13 verdeutlichen.

Hierzu gibt es z.B. einen Exkurs [9], den man als Arbeitsblatt verwenden kann. Die Schüler können die nötigen Eigenschaften und Reaktionen selbst erarbeiten (vgl.

Arbeitsblatt 1 „Die Entstehung der heutigen Atmosphäre“).

Im nachfolgenden Kapitel wird die genaue Zusammensetzung der heutigen Atmosphäre besprochen.

3.2 Die Zusammensetzung der Luft

Unsere Luft ist ein Gasgemisch. In Tabelle 1 sind die wichtigsten, natürlichen Bestandteile der Luft, die im Rahmen dieser Arbeit besprochen werden, verändert nach [8] aufgelistet.

Art Volumenprozent

molekularer Stickstoff, N2 78,085 molekularer Sauerstoff, O2 20,948

Argon, Ar 0,934

Kohlenstoffdioxid, CO2 ~ 0,03

Ozon, O3 variabel

Wasser variabel

Helium, He 5,24·10^-4

molekularer Wasserstoff, H2 ~ 5·10^-5 Distickstoffmonoxid, N2O ~ 3·10^-5

Stickoxide: NO, NO2 ~ 1·10^-7

Tabelle 1: Zusammensetzung der Luft an der Erdoberfläche [8]

Die ersten fünf Bestandteile werden im Rahmen dieser Arbeit jeweils in einzelnen Kapiteln genauer besprochen. Weitere in der Luft enthaltene Edelgase sowie Spurengase werden in Kapitel 6 „Edler Duft liegt in der Luft – Die Edelgase“ bzw.

Kapitel 9 „Spuren von Gasen“ besprochen.

Bei der Einführung in das Thema Luft kann man den Schülern an einem Modell¹ zeigen, dass sich fast 100 % der Luft aus den vier erstgenannten Gasen zusammensetzt, indem man ihnen Legosteine in unterschiedlichen Farben gibt, die sie so zusammensetzen sollen, dass man die Zusammensetzung der Luft erkennen kann. Blau soll hier den Distickstoff, gelb den molekularen Sauerstoff und rot das Argon darstellen, das weiße Plättchen schließlich steht für Kohlenstoffdioxid.

Durch die ausgewählte Schichtungerhält man ein

Abb. 4: Legosteine verdeutlichen dreidimensionales Balkendiagramm. die Zusammensetzung der Luft

Wichtig ist zu beachten, dass Tabelle 1 die Zusammensetzung der Luft an der Erdoberfläche wiedergibt; sie ist allerdings variabel.

Dies hängt von vielen Bedingungen ab, z.B. von der Temperatur der Luft. Zur Erläuterung wird im Folgenden der Aufbau der Atmosphäre betrachtet.

3.3 Der Aufbau der Atmosphäre[10, 11]

Man kann die Atmosphäre auf drei Arten unterteilen: nach der Temperatur- schichtung, nach der chemischen Zusammensetzung und nach ihrem Ionisierungs- grad.

Teilt man die Atmosphäre nach der Temperaturschichtung, von Meereshöhe aus gesehen, ein, erhält man folgende Bereiche:

Troposphäre 0 – 8 / 18 km, Tropopause 8 - 18 km Stratosphäre 8 / 18 - 50 km, Stratopause,

Mesosphäre 50 - 80 km, Mesopause, Thermosphäre 85 - 500 km und

Exosphäre > 500 km.

1 Das entwickelte Modell ist dreidimensional, da die Luft, die uns umgibt, Raum einnimmt und deshalb durch die üblichen zweidimensionalen Graphiken nicht der Realität entsprechend beschrieben ist.

Abb. 5: Aufbau der Atmosphäre

Es ist zu erkennen, dass die Temperatur – zu verfolgen an der eingezeichneten roten Kurve – in der Troposphäre durchschnittlich um etwa 6,5 °C pro 1000 m abnimmt, weshalb es z.B. auf dem Mount Everest sehr viel kälter ist als z.B. in Kairo, obwohl sie auf demselben Breitengrad liegen. Dies hat natürlich auch noch etwas mit dem Klima, auf das im Rahmen dieser Arbeit nicht näher eingegangen wird, zu tun.

Die Troposphäre enthält rund 80 % der Masse der Atmosphäre und nahezu den gesamten Wasserdampf. Deshalb spielen sich in ihr nahezu alle Wetterprozesse ab.

Die Tropopause befindet sich im Mittel über den Polen in etwa 8 km, über den gemäßigten Breiten etwa in 12 km und über dem Äquator etwa in 18 km Höhe. Die jeweiligen „Pausen“ sind die sogenannten Wendepunkte (in der Geographie) des vertikalen Temperaturverlaufes.

So sinkt z.B. die Temperatur in der Troposphäre ab, erreicht in der Tropopause ein Minimum und steigt dann in der Stratosphäre wieder an. Solche Wendepunkte findet man auch in der Stratopause und in der Mesopause.

Die Stratosphäre ist im unteren Bereich isotherm, d.h. ihre Temperatur liegt nahezu konstant bei -56 °C. Erst ab 20 km steigt sie wieder an. Dies geschieht auf Grund von Strahlungsabsorption, z.B. durch Ozon.

Weiterhin kann man die Atmosphäre nach der Zusammensetzung der Luft einteilen in:

Homosphäre 0 - 80 km Heterosphäre > 80 km

Hierbei ist es so, dass die Homosphäre auf Grund der horizontalen und vertikalen Luftbewegungen nahezu gleichförmig durchmischt wird und somit homogen vorliegt.

In der Heterosphäre teilen sich dann die Gase, z.B. auf Grund der unterschiedlichen Dichten, so dass sich die spezifisch leichteren Gase wie Wasserstoff und Helium mit steigender Höhe anreichern.

Der Vollständigkeit halber wird hier noch eine dritte Art der Einteilung erwähnt: Man kann die Atmosphäre auch nach dem Ionisierungsgrad der Gasteilchen in Neutrosphäre und Ionosphäre einteilen. Darauf wird in dieser Arbeit allerdings nicht näher eingegangen.

3.4 Technische Gewinnung der Hauptinhaltsstoffe

Unter der Annahme, dass die Troposphäre 80 % der Masse der Atmosphäre enthält, durchschnittlich 12 km hoch ist und die Erde eine ideale Kugel mit mittlerem Erdradius von 6370 km darstellt, erhält man einen Mantel um die Erde, der

6,13·10²¹ L Luft enthält. Auf Grund dieses riesigen Vorkommens ist es sinnvoll, die Hauptbestandteile ³O2, N2 sowie Argon aus der Luft nutzbar zu machen.

Jedes der drei Gase wird hauptsächlich durch fraktionierte Destillation flüssiger Luft gewonnen [12].

Die Luftverflüssigung kann über drei Methoden [13]

erfolgen: Nach dem Linde-Verfahren, nach dem Claude- Verfahren und nach dem Claude-Heyland-Verfahren.

Technisch von Bedeutung ist aber hauptsächlich das Linde- Verfahren [12].

Diese Methode wurde 1895 von Carl von Linde erfunden. Abb. 6: Carl von Linde

Das Verfahren wird in der Schule nicht besprochen, soll aber, um die Gewinnung der Hauptinhaltsstoffe aufzuzeigen, im Rahmen dieser Arbeit erläutert werden.

Abb. 7: Schematischer Aufbau der Apparatur zum Linde-Verfahren

Die Luft wird hierbei zunächst auf etwa 200 bar verdichtet. Die komprimierte Luft wird anschließend vorgekühlt. Am Drosselventil wird sie wieder entspannt und kühlt sich dabei ab.

Dies nennt man Joule-Thompson Effekt, bei dem Folgendes passiert: Beim Wiederausdehnen eines komprimierten Gases muss Arbeit geleistet werden, damit die Anziehung, die zwischen den Gasteilchen herrscht, überwunden werden kann. Die Energie dazu wird aus der inneren Energie des Gases selbst genommen. Deshalb nehmen die Molekülbewegungen und damit verbunden die Temperatur des Gases ab

[14]. Dies geschieht erst unterhalb einer bestimmten Temperatur, der sogenannten Joule-Thompson-Inversionstemperatur.

Den Joule-Thompson Effekt und somit die Abkühlung der Luft kann man anhand folgender Rechnung aufzeigen: Für komprimierte reale Gase gilt folgende Gleichung

[12], auf deren Herleitung hier verzichtet wird:

( )

273

273 ⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

⋅ +

−

⋅

=

−

Anfang Ende

Anfang Ende

Anfang

p T p

T

T μ

Hierbei ist μ der Joule-Thompson Faktor. Es handelt sich hierbei um eine dimensionslose Größe, deren Wert bei ~ ¹/4 liegt.

Wählt man beispielsweise TAnfang = 0 K und pAnfang - pEnde = 1 bar, nimmt die Temperatur der Luft um ¼ K pro bar Druckdifferenz ab.

Geht man von pAnfang = 200 bar und TAnfang 1 = 298 K aus, erhält man, bei der An- nahme, dass pEnde = 1 bar beträgt (also unter Standardbedingungen), für

TEnde 1 = 256,25 K. Dies ist die Temperatur, die am Drosselventil herrscht, wenn das eingebrachte Luftvolumen einmal durch die Anlage geströmt ist.

Die durch Ausdehnen abgekühlte Luft wird in einen Gegenstrom-Wärmeaustauscher geleitet, der die nachfolgend ankommende komprimierte Luft weiter abkühlt.

Geht man von gleich bleibender Komprimierung, d.h. pAnfang = 200 bar aus, sieht man, dass bei neuer Anfangstemperatur TAnfang 2 = 256,25 K die Temperaturen immer weiter sinken. Für die nächste Stufe erhält man TEnde 2 = 201,79 K.

In diesem Kreislauf kühlt sich die Luft nun immer weiter ,von selbst´ ab, bis am Drosselventil bei der Entspannung flüssige Luft mit einer Temperatur von -194,5 °C (am Siedepunkt) entsteht [12].

Bei den anderen beiden Verfahren, dem Claude-Verfahren, dass G. Claude 1905 erfand, erfolgt der Entspannungsprozess adiabatisch über eine Expansionsmaschine.

Durch Kombination von Drosselventil und der Expansionsmaschine wurde dieses Verfahren zum Claude-Heylandt-Verfahren weiter entwickelt [13].

Die flüssige Luft kann anschließend fraktioniert destilliert werden. Dabei entsteht molekularer, gasförmiger Stick- stoff (Sdp. -196 °C) im flüchtigen Destillat. Der flüssige, molekulare Sauerstoff (Sdp. -183 °C) bleibt in der Kolonne zurück. Beginnt man in Abb. 8 bei der Zusammensetzung der undestillierten, flüssigen Luft, also bei 78 % N2 und 21 % O2, siedet das Gemisch bei -194 °C. Der Dampf enthält dann nur noch etwa 9 % molekularen

Sauerstoff und 91 % des leichter flüchtigen, Abb. 8: Siedediagramm des Gemisches aus

molekularen Stickstoffs. flüssigem Disauerstoff und Distickstoff

Somit ist die verbleibende Flüssigkeit – im Gegensatz zum Beginn – reicher an molekularem Sauerstoff und siedet erst später, also bei einem höheren Siedepunkt.

Auf der Siedekurve läuft man somit weiter nach rechts. Unterbricht man die Destillation, erhält man einen Dampf der Zusammensetzung von etwa 12 % molekularem Sauerstoff und 88 % molekularem Stickstoff. Dies ist die Dampfzusammensetzung, aus der sich der neue Siedepunkt ergibt.

Durch häufiges Wiederholen dieses Prozesses bekommt man am Ende einen Dampf aus reinem, molekularem Stickstoff und im Destillationsrückstand bleibt der molekulare Sauerstoff zurück.

Da der Siedepunkt von Argon mit -186 °C zwischen molekularem Stickstoff und Sauerstoff liegt, entsteht bei der fraktionierten Destillation der flüssigen Luft entweder argonhaltiger Distickstoff oder argonhaltiger Disauerstoff. Sie sind das Ausgangsmaterial, aus dem durch nachfolgende chemische und physikalische Trennmethoden reines Argon gewonnen wird [15].

4. Der molekulare Stickstoff – „Verdorbene Luft“

Etwa 78 % der Luft bestehen aus Distickstoff. Dies ist das Hauptvorkommen des Elementes Stickstoff. In Mineralien liegt es in gebundener Form meist als Nitrat vor, z.B. im Chilesalpeter als Natriumnitrat [16].

Stickstoff ist für den Menschen essentiell, da er z.B. sowohl in Aminosäuren, in den Proteinen als auch in den Pyrimidin- und Purinbasen der DNA/RNA enthalten ist [17].

Gewonnen wird molekularer Stickstoff hauptsächlich durch Destillation flüssiger Luft (vgl. Kap. 3.4 „Technische Gewinnung der Hauptinhaltsstoffe“).

4.1 Woher kommt der Name Distickstoff?

Molekularer Stickstoff wurde 1772 u.a. von Scheele entdeckt, der ihn als „verdorbene Luft“ bezeichnet [16].

Abb. 9: Carl Scheele

Um zu demonstrieren, wie Scheele den Distickstoff entdeckte, kann man die Schüler im zweiten Halbjahr der Klassenstufe 8 zum Thema „Quantitative Zusammensetzung der Luft“ folgenden Versuch, verändert nach [18] in Kleingruppen bzw. als experimentelle Hausaufgabe (vgl. Arbeitsblatt 2 „Hausaufgabenversuche zur Zusammensetzung der Luft“) durchführen lassen: Eine brennende Kerze, die auf Wasser schwimmt und sich unter einem Erlenmeyerkolben befindet, erstickt nach einiger Zeit (vgl. Versuch 1.1 „Eine Kerze erStick(stoff)t!“).

Das Gas hat also wegen seiner erstickenden Wirkung auf eine Flamme bzw.

Lebewesen seinen Namen bekommen.

Weiterhin wird ein wenig Wasser in den Erlenmeyerkolben gesogen und der größte Teil der vorhandenen Luft nicht verbraucht. Dies gibt den Schülern einen ersten Hinweis auf die genauere Zusammensetzung der Luft.

4.2 Physikalische Eigenschaften

Molekularer Stickstoff ist bei Standardbedingungen ein farb-, geschmack- und geruchloses Gas, dessen Dichte 1,25 g/L (bei 0 °C, 1,013 bar und 45° geo- graphischer Breite) beträgt.

Der Siedepunkt liegt bei -195,82 °C, der Schmelzpunkt bei -209,99 °C [16].

Um diese Zahlen nicht zusammenhangslos in den Raum zu stellen, kann man die Schüler der 8. Klassenstufe z.B. einen Steckbrief zum molekularen Stickstoff verfassen lassen. Dieser könnte, verändert nach [19], wie folgt aussehen:

Vorkommen zu 78 % Bestandteil der Luft

Entdeckung 1772 u. a. durch Scheele

Physikalische Eigenschaften Farb-, geruch- und geschmackloses Gas, Dichte = 1,25 g/L,

Schmelzpunkt = -209,99 °C Siedepunkt = -195,82 °C

Chemische Eigenschaften Erstickt die Flamme, reagiert nur unwillig mit anderen Stoffen

Verwendung Herstellung von Mineraldünger Tabelle 2: Steckbrief des (molekularen) Stickstoffs [19]

Später, d.h. z.B. in Klassenstufe 9.1, wenn den Schülern die molare Masse und weitere Eigenschaften bekannt sind, kann man den Steckbrief erneut aufgreifen und erweitern. Dies wird in Kapitel 5.2 „Physikalische Eigenschaften“ am Beispiel des Disauerstoffs gezeigt.

Bei der Aufstellung der Tabelle sollte man darauf achten, dass die Schüler im Anfangsunterricht Chemie nicht wissen, dass der Stickstoff der Luft als Dimer vor- liegt und dass sich alle angegebenen Werte auf denselben Stoff, hier molekularen Stickstoff, beziehen. Deshalb wird beim Vorkommen z.B. nicht der Chilesalpeter oder Harnstoff erwähnt, da dort Stickstoff elementar enthalten ist.

Die molare Masse des Elementes beträgt gerundet 14 g/mol, also beträgt die Molekülmasse M(N2) = 28 g/mol.

Dichte und Molekülmasse kann man im Schulunterricht sehr anschaulich mit Hilfe der Gasmolwaage erarbeiten (vgl. Versuch 2 „Dichte und molare Masse von Gasen – schnell und unkompliziert“). Die Dichte, die im fakultativen Lerninhalt in Klassenstufe 8 besprochen wird, kann man direkt an der Skala der Waage ablesen.

In der neunten Klasse kann beim Thema „Verhalten von Gasen – Zweiatomigkeit gasförmiger Elementmoleküle“ gezeigt werden, dass (Di-)Stickstoff nicht einatomig, sondern als zweiatomig vorkommt. Die Molekülmasse, die man an der Gasmolwaage ablesen kann, beträgt 28 g/mol. Da die Schüler sich im Periodensystem ein wenig auskennen, wissen sie, dass die molare Masse 14 g/mol beträgt. Also müssen es zwei Stickstoffatome sein, die hier verbunden sind.

In beiden oben genannten Schulstufen sollte die Gasmolwaage als Messgerät verwendet werden, ohne ihr genaues Prinzip zu erklären.

Es beruht auf der „Messung des Auftriebes (ARCHIMEDES), den eine geschlossene Glaskugel in einem Gase erfährt, mittels einer Federwaage, die mit einer empfindlichen kleinen

Balkenwaagegekoppelt ist.“[20]

Abb. 10: Gasmolwaage GW 61 Plexi

Der Satz von Archimedes besagt:

„Der Auftrieb ist so groß wie die Gewichtskraft des verdrängten Gases.“ [21]

Der Auftrieb A kann mittels folgender Gleichung [21] berechnet werden:

A = G=m⋅g =ρ⋅V⋅g

Hierbei ist G die Gewichtskraft und g der Ortsfaktor in Mitteleuropa.

Da die Glaskugel ein konstantes Volumen besitzt, verdrängt sie bei gleicher Temperatur und gleichem Druck „jeweils das gleiche Gasvolumen und damit die gleiche Anzahl von Gasmolekülen (AVOGADRO)“[20] des Gases, das in die Gas- molwaage eingefüllt wird (vgl. Kapitel 11.3 „Der Druck in geschlossenen Gefäßen“).

Somit ist die Differenz im Auftrieb „gleich der Differenz der Massen der beiden verdrängten Gasvolumina“ [20].

D.h., misst man zunächst den Auftrieb der Luft, die sich in der Glaskugel befindet, im Referenzgas Luft, steht die Balkenwaage auf Null, da die Gasmolwaage auf Luft kalibriert wird.

Füllt man anschließend z.B. Distickstoff in den Gasraum um die Glaskugel, in welcher sich immer noch Luft befindet, erfährt sie einen Auftrieb. Stellt man die Balkenwaage wieder auf Null, kann man direkt an der Skala der Gasmolwaage die Dichte und die molare Masse ablesen.

4.3 Chemische Eigenschaften

Das Element Stickstoff steht in der 5. Hauptgruppe des Periodensystems. Es ist ein Nichtmetall mit der Elektronenkonfiguration 1s²2s²p³[22], dem drei Elektronen zur Edelgaskonfiguration des Neons fehlen. Deshalb bildet es Dimere.

Nach der Einführung der molaren Masse in Klassenstufe 9 wird zunächst die Abkürzung „N2“ verwendet. Betrachtet man in der zweiten Unterrichtseinheit der Klassenstufe 10 „Elektronenpaarbindung/Atombindung“, ergibt sich für ein Stick- stoffmolekül folgende Lewis-Schreibweise:

N N

Abb. 11: Lewis-Schreibweise des molekularen Stickstoffs

Die Dreifachbindung ist sehr stabil und zeigt auf, warum der Stickstoff z.B. als Inertgas verwendet wird. Die Dissoziationsenergie, die man benötigt um sie zu spalten, liegt bei 946,04 kJ [16] pro Mol Stickstoffmoleküle.

N2(g) + 946,04 kJ 2 N

Im Vergleich dazu beträgt die Dissoziationsenergie von einem Mol Chlormolekülen nur 243,52 kJ [23].

Dies wird den Schülern sehr schnell einleuchten, wenn sie die Lewis-Schreibweise von Chlor daneben zeichnen und feststellen, dass hier nur eine Einfachbindung vorliegt.

Die Reaktionen von Distickstoff z.B. mit Alkali- und Erdalkalielementen sind hier außer Acht gelassen. Der Einfachheit halber werden in der Schule keine Ver- bindungen des Elementes Stickstoff besprochen, da die Schüler in diesem Zusammenhang lernen und verstehen sollen, dass ein hoher Bindungsgrad eine hohe Dissoziationsenergie hervorruft und somit eine starke Bindung im Stickstoffmolekül herrscht.

Betrachtet man zusätzlich in einem guten Leistungskurs das Molekülorbitalmodell

[24] des Dinitrogens, stellt man eine σ-Bindung und zwei π-Bindungen fest.

Abb. 12: Energieniveauschema des molekularen Stickstoffs

Die Bindungsordnung BO = ½ (b-b*) beträgt BO (N2) = 3, wobei b die Anzahl der Elektronen in bindenden Molekülorbitalen, b* die Anzahl der Elektronen in nicht bindenden Molekülorbitalen ist [24].

In molekularem Stickstoff treten die 2s- und 2p-Orbitalen auf Grund der geringen Energiedifferenz miteinander in Wechselwirkung.

Es geschieht folgendes: Die bindenden und antibindenden σ-Molekülorbitale besitzen einen s-p-Hybridorbitalcharakter, keinen reinen s- oder p-Charakter mehr. Damit werden die σs-Molekülorbitale stabilisiert, die σx- Orbitale aber destabilisiert. Somit sind die bindenden π-Orbitale, im vorliegenden Beispiel πy und πz, stabiler und deshalb energetisch günstiger [24].

Diese Erklärung, warum die Energieniveaus vertauscht werden, wird in der Schule nicht gegeben.

Man kann in der Schule den Schülern an einem einfachen Modell² erklären, wie aus den Atomorbitalen die Molekülorbitale, also beispielhaft die drei Bindungen des Distickstoffs, entstehen.

Um dies zu veranschaulichen, betrachtet man zunächst die Bildung der Molekül- orbitale aus den vorhandenen Atomorbitalen. Hierzu geht man von folgendem Achsenkreuz aus:

z

y

x

Abb. 13: Achsenkreuz nach [24]

Die σ-Bindung wird durch die Überlappung zweier px-Orbitale gebildet, die beiden π-Bindungen durch Addition der Elektronenwolke zweier py- bzw. pz-Molekül- orbitale. Die jeweiligen antibindenden Orbitale ergeben sich entsprechend.

Nachdem die Schüler wissen, dass die Atomorbitale den Raum mit der größten Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons darstellen und diese unterschiedliche Formen haben, z.B. das s-Orbital kugelförmig, das p-Orbital hantelförmig ist, können sie diese miteinander kombinieren. Hierbei entstehen die Molekülorbitale [24].

2 Nach dem bisherigen Literaturstudium hat noch niemand ein solches Modell vorgeschlagen.

Abb. 14: Bildung von bindenden und antibindenden Molekülorbitalen aus den Atomorbitalen p_x und p_z

Beschränkt man sich auf die drei p-Orbitale und will anhand eines Modells die Drei- fachbindung des Distickstoffs erklären, kann man den Schülern Arbeitsblatt 3 „Ein Modell für ein Modell“ geben. Hierbei sollen sie selbständig aus verschiedenfarbigen Büroklammern ein Modell anfertigen, aus dem ersichtlich wird, wie die ver- schiedenen Orbitale, also die Büroklammern, miteinander kombiniert werden können.

Jede Büroklammer soll für einen positiven oder negativen Orbitallappen stehen.

Nimmt man z.B. eine blaue und eine gelbe Büroklammer, kann man sie zunächst einmal mit- einander verbinden. Dies ergibt ein Modell eines

px-Orbitals Abb. 15: Büroklammermodell eines

. p_x-Orbitals

Wiederholt man dies, hat man zwei Modelle der Stickstoff-Atomorbitale hergestellt.

Abb. 16: Büroklammermodell zweier p_x-Orbitale

Diese kann man, um ein Modell für eine σ-Bindung zu erhalten, noch einmal miteinander verbinden. Hierbei entsteht ein bindendes Molekülorbital, wenn gleiche Vorzeichen der p-Orbitale (der Ψ-Funktion), im vorliegenden Modell gleiche Farben, miteinander verbunden werden. Ein antibindendes Molekülorbital wird symbolisiert durch Zusammenstecken von blau und gelb.

Abb. 17: Büroklammermodell des bindenden Molekülorbitals σx

Will man nun eine π–Bindung darstellen, werden die beiden Atomorbitale, z.B. in weiß und schwarz, in y-Richtung oder in grün und rot in z-Richtung ausgerichtet.

Abb. 18 (1) und (2): Büroklammermodell zweier p_y- bzw. zweier p_z-Orbitale des Distickstoffs

Hier kann eine doppelte Überlappung stattfinden: es können rot-rot und grün-grün miteinander verbunden werden. Die antibindenden Orbitale ergeben sich jeweils aus der umgekehrten Kombination.

Abb. 19 (1) und (2): Büroklammermodell der πy-Bindung und πz-Bindung im Distickstoff

Da die Schüler anhand dieses Modells die Ausbildung der Molekülorbitale selbst hergeleitet haben, ist es für sie einfacher, dies zu verstehen und zu behalten.

Daraus kann ein einfacheres Molekülorbitalmodell als in Abb. 9 erstellt werden, in dem nur die p-Orbitale miteinander kombiniert werden, damit die Dreifachbindung erkennbar wird.

__σx*

__ __ πy*, πz*

__ __ __ __ __ __

2 px,y,z __ σxb 2 px,y,z

Atomorbitale __ __ πyb, πzb Atomorbitale

N N

Molekülorbital N₂

Abb. 20: Vereinfachtes Molekülorbitalmodell des N2 zur Demonstration der Dreifachbindung

4.4 Ein Gas „geht“ um die Welt – Der Distickstoffkreislauf

Technisch wird molekularer Stickstoff hauptsächlich mit Hilfe des Linde-Verfahrens, das ausführlich in Kapitel 3.4 „Technische Gewinnung der Hauptinhaltsstoffe“ (der Luft) besprochen wurde, hergestellt. Danach, so wie nach der Atmung, liegt er aber immer noch molekular vor.

Im Nachfolgenden wird besprochen, wie die Stickstoffmoleküle der Luft in unter- schiedlicher Form und auf verschiedenen Wegen gebunden werden können.

Dazu wird der Kreislauf betrachtet, den der Distickstoff in Atmo-, Hydro- und Litho- sphäre (bis zu 16 km Tiefe) durchläuft [25].

Dieser Kreislauf kann größtenteils in der Klassenstufe 10 besprochen werden.

Hier lernen die Schüler laut Lehrplan z.B. die Theorie zur atmosphärischen Fixierung im Thema „Säure-Base Theorie nach Broensted“. Im fakultativen Lerninhalt wird die

„Herstellung von Ammoniak“, also die technische Fixierung im Haber-Bosch- Verfahren, besprochen.

„Das Prinzip von Zwang“, also der Einfluss auf die Lage des Gleichgewichtes wird erst in Jahrgangsstufe 13 beim Thema „Das chemische Gleichgewicht“ besprochen.

Einige der zugehörigen Reaktionsgleichungen, z.B. die Umwandlung von Nitrit in Nitrat, sind in der 10 Klasse allerdings noch zu kompliziert und können z.B. erst in Jahrgangsstufe 11 im Anschluss an das Thema „Redoxreaktionen“ erklärt werden.

Der in Kap. 4.4.1 „Fixierung des molekularen Stickstoffs“ und 4.4.2 „Freisetzung von molekularem Stickstoff“ beschriebene Kreislauf ist aus verschiedenen Quellen, hauptsächlich aus [26], ergänzt durch [16, 25, 27, 28], neu zusammengestellt.

4.4.1 Fixierung des molekularen Luftstickstoffs

a) Atmosphärische Fixierung

Durch elektrische Entladung, z.B. durch Blitze entstehen Stickstoffoxide.

) ( 2 0

N g + O2( ) + 180,62 kJ 2

0

g ( )

2 2

O g

N

− +

2 N⁺²O⁻²(g) + O2( ) 2 + 114,2 kJ Abb. 21: Gewitterblitz

0

g 2( )

2 4

O g

N

− +

Da Stickstoffmonoxid eine stark endotherme Verbindung ist, lässt es sich nur durch Zufuhr einer hohen Aktivierungsenergie und bei hohen Temperaturen, beides entsteht bei einer Blitzentladung, aus den Elementen erzeugen. Das Temperaturoptimum liegt bei etwa 2000 °C. Da diese hohen Temperaturen nur kurze Zeit vorhanden sind, setzt sich das Stickstoffmonoxid rasch mit dem vorhandenen Luftsauerstoff zu Stickstoffdioxid um. Dies ist eine exotherme Verbindung und würde bei Temperaturen über 650 °C nicht entstehen.

Den in dieser Weise natürlich ablaufenden Prozess kann man in der Schule sehr einfach mit Hilfe von Versuch 3 „Aus der Luft in den Boden – Blitze fixieren N2“ [29]

nachvollziehen. Hierbei wird Luft im Lichtbogen bei 8000 V verbrannt und es entstehen die beiden oben genannten Stickstoffoxide NO und NO2. Sie sind beide sehr giftig und auch auf Grund der Hochspannung sollte dieser Versuch ausschließlich als Lehrerversuch durchgeführt werden.

Dass dieser Prozess der Stickstoffoxidbildung in der Natur nicht selten ist, sieht man daran, dass es pro Sekunde auf der Welt etwa 200-mal blitzt und in manchen Gebieten der Tropen bis zu 200-mal im Jahr gewittert [30].

In der Natur werden die Oxide des Stickstoffs durch Regen aus der Atmosphäre in Form von Salpetersäure ausgewaschen und liegen als Nitrationen im Boden vor.

3 2( ) + H O 2H NO +

2 4

O g

N

− +

2 3( )

5 aq +

) ( 2 2

O g

N

− +

Zusammengefasst läuft also in Versuch 3 „Aus der Luft in den Boden – Blitze fixieren N2“ folgende Reaktion ab:

2 2( ) + 5 O + 2 4 + 60,6 kJ

0

N g 2( )

0

g H₂O _{3( )}

5

O aq

N H

+

Das Vorhandensein von Säure im Wasser, in das die Stickstoffoxide beim Versuch eingeleitet wurden, kann mit Hilfe des pH-Wertes nachgewiesen werden.

Hierbei sollte man die Schüler erneut auf die starke Bindung im Stickstoffmolekül und somit auf die Reaktionsträgheit des molekularen Stickstoffes hinweisen, da sonst, unter Annahme der obigen exothermen Reaktionen, der gesamte Disauerstoff unserer Atmosphäre zur Bildung von Salpetersäure in den Ozeanen verbraucht würde.

Die entstandenen Nitrationen werden von Pflanzen, den Produzenten, aus dem Boden aufgenommen und über verschiedene Schritte zu Proteinen umgewandelt.

Diese werden von den Konsumenten, z.B. Menschen und Tieren, direkt oder indirekt als Nahrung aufgenommen. Sie bilden daraus als Stoffwechselendprodukt unter anderem Harnstoff. Wird dieser durch die Destruenten, z.B. Pilze und Bakterien, zersetzt, entsteht Ammoniak, der erneut zu Ammoniumionen umgewandelt werden kann oder in die Atmosphäre entweicht.

(NH2)2CO(aq) + H2O 2 NH3(g/aq) ↑ + CO2(g) ↑

Bei der Verwesung abgestorbenen, organischen Materials, tierischen oder pflanzlichen Ursprungs, kann außerdem über einen langwierigen Prozess je nach äußeren Gegebenheiten Erdöl, Erdgas oder Kohle entstehen.

b) Biologische Fixierung

Es gibt drei Gruppen stickstofffixierender Mikroorganismen. Diese sind alle prokaryotisch, also noch ohne Zellkern, und man kann sie nach ihrem Sauerstoffbedürfnis in drei Gruppen einteilen: die obligat anaerob lebenden, die fakultativ anaerob und die obligat aerob lebenden Organismen.

Die beiden ersten Gruppen sind zwar weit verbreitet, ihre Bedeutung ist aber gering.

In diesem Zusammenhang am wichtigsten sind die obligat aerob lebenden Mikroorganismen wie z.B. Azotobacter. Es tritt in gut durchlüftetem Boden, aber auch in Meer- und Süßwasser mit genügend Sauerstoffgehalt auf und ist in der Lage, aus molekularem Luftstickstoff unter Reduktion Ammoniak und schließlich Ammoniumionen zu bilden.

0

N2 (g) + 6 e^- + 6 H3O⁺(aq) 2 ₃(g) ↑ + 6

3

H N

−

O H₂

) ( 3g

NH + H₂O NH4⁺(aq) + OH−(aq)

Da die Dissoziationsenergie des molekularen Stickstoffs 946,04 kJ/mol beträgt, ist die Umwandlung endergonisch, bringt den Bakterien also keinen energetischen Nutzen.

Die Prokaryoten können den Vorgang allerdings durch die Bildung eines speziellen Nitrogenase-Enzymkomplexes katalysieren.

Sie sind die einzigen Lebewesen, die den Distickstoff fixieren können. Alle übrigen Lebewesen müssen ihn, da er essentiell ist, über die Nahrung zu sich nehmen.

Die bekanntesten distickstofffixierenden Bakterien sind die Knöllchenbakterien (Gruppe Bakterium radicicola), die ihre Stickstoffbindung nur in Verbindung mit höheren Pflanzen durchführen. Sie sind am aktivsten in Verbindung mit Leguminosen (Schmetterlingsblütler/Hülsenfrüchte), also z.B. Erbsen. Es ist eine Symbiose, da die höheren

Pflanzen Kohlenhydrate bereitstellen und das Bakterium Abb. 22: Knöllchenbakterien

im Gegenzug nahezu den gesamten Bedarf der Pflanze an reduziertem Stickstoff deckt.

Da Pflanzen zwar Ammoniumionen aufnehmen können, aber Nitrate bevorzugen, werden die Ammoniumionen von den Bakterien in Nitrate umgewandelt.

Diese Nitrifikation, eine oxidative Veratmung mit Sauerstoff, also aerob, verläuft über zwei Stufen.

Zunächst wandeln Nitritbakterien wie z.B.

Nitrosomonas die Ammoniumionen in Nitrit um.

Abb. 23: Nitrosomonas

2 NH4⁺(aq) + 3 2( ) + 2 2 NO + 4

0

O g H₂O 2 ( )

2 3

aq

− − +

) 3O (aq

H ⁺ Das entstandene Nitrit wird von Nitratbakterien,

z.B. Nitrobacter, aerob zu Nitrat oxidiert.

Abb. 24: Nitrobacter

2 2 ( ) + 2 NO ⁻

2 3

O aq

N ⁻

− +

) ( 2 0

O aq 3

2 5− +

) (aq

Die biologische Fixierung kann z.B. fächerübergreifend zusammen mit einem Biologie Leistungskurs behandelt werden. Hier könnten Versuche zum Thema Boden und Bakterien durchgeführt werden.

c) Technische Fixierung

Industriell wird Distickstoff mit Hilfe des Haber-Bosch Verfahrens in Form

von Ammoniak fixiert. Abb. 25: Fritz Haber Abb. 26: Carl Bosch

) ( 2 0

N g + 3 H2( ) 2 NH3 + 92,28 kJ

0

g ( )

1 3

g +

−

Unabhängig vom Distickstoffkreislauf ist das Haber-Bosch Verfahren eines der großtechnischen Verfahren, das in der Schule besprochen werden sollte.

An ihm kann man in der Jahrgangsstufe 13 sowohl im Leistungs- als auch im Grundkurs „Das chemische Gleichgewicht“, „Prinzip von Zwang“ und die Wirkungsweise eines Katalysators besprechen.

4.4.2 Freisetzung von molekularem Stickstoff

Wie aerobe Bedingungen bei der Nitrifikation die Oxidation begünstigen, be- günstigen anaerobe Bedingungen die Denitrifikation.

Hierbei entsteht über mehrere Schritte durch enzymatische Stoffwechselvorgänge, z.B. des Flavobakteriums, elementarer Stickstoff und bis zu 10 % Distick- stoffmonoxid, das zum natürlichen Abbau von Ozon beiträgt (vgl. Kapitel 8.4 „Was passiert in der Stratosphäre?“).

2 NO3-

(aq) + 2 C N2O(g) ↑ + CO32-

(aq) + CO2(g) ↑ N2O(g) + C 2 N2(g) ↑ + CO2(g) ↑

Zur Vereinfachung kann folgende Reduktion formuliert werden:

2 NO3-

(aq) + 12 H3O⁺(aq) +10 e^- N2(g) ↑ + 18 H2O

Insgesamt kann der auf der nächsten Seite folgende Kreislauf als Arbeitsblatt oder Hefteintrag entwickelt werden.

Wenn in der Schule keine Zeit ist, den gesamten Kreislauf zu erarbeiten oder er nur punktuell erarbeitet werden kann, sind auf dem Arbeitsblatt alle wichtigen Reaktions- gleichungen und Abläufe detailliert enthalten, damit es ohne weitere Erklärungen an die Schüler ausgegeben werden kann.

Der „Stickstoffkreislauf“ kann, ebenso wie der „Treibhauseffekt“ (vgl. Kap. 7.3. „Der natürliche Treibhauseffekt“) in der Schule in Form eines Schülerreferats besprochen werden. Als Arbeitsgrundlage kann hier das nachfolgende Arbeitsblatt dienen.

Abbildung auf der nachfolgenden Seite:

Abb. 27: Der Stickstoffkreislauf – Selbstangefertigtes Arbeitsblatt

5. „Luft zum Atmen“ - Der molekulare Sauerstoff

Etwa 21 % der Luft bestehen aus molekularem Sauerstoff.

Sauerstoff ist das in der Erdrinde, dem Meer, der Biosphäre und der Luft mit einer Gewichtsmenge von 48,9 % am meisten vorkommende Element. Er kommt in gebundener Form u. a. als Oxide, in Form von Carbonaten, Silikaten sowie molekular in der Luft oder gelöst im Wasser vor [31].

Weshalb Sauerstoff für den Menschen wichtig ist, sieht man gut an der sogenannten Dreierregel, eine Faustregel, die besagt, dass der Mensch nicht drei Minuten ohne

„Luft“, drei Tage ohne Wasser und drei Wochen ohne Nahrung überleben kann [32].

Mit „Luft“ ist dabei der in der Luft vorhandene und zur Atmung benötigte Disauerstoff gemeint.

Gewonnen wird er fast ausschließlich durch fraktionierte Destillation flüssiger Luft (vgl. Kap. 3.4 „Technische Gewinnung der Hauptinhaltsstoffe“).

5.1 „Feuerluft“ – „Lebensluft“ – „Oxygen“

Erneut war es u. a. Carl Scheele, der den Disauerstoff 1772 als „Feuerluft“ erstmals beschrieb. Er gewann ihn zum Beispiel durch Erhitzen von Quecksilber(II)-oxid [31].

Unabhängig von Scheele entdeckte ihn 1774 der britische Naturforscher Joseph Priestley, der ihn nach der herrschenden Theorie als „dephlogistierte Luft“ bezeichnete. Erst 1777 erkannte Antoine de Lavoisier, nachdem er Priestleys Bezeichnung

„Feuerluft“ kannte, dass er ein gasförmiges Element vor sich hatte und nannte es „Lebensluft“ (vgl. Kap.

5.4 „Dissimilation und Assimilation – Ein Disauer- Abb. 28: Antoine de Lavoisier

stoffkreislauf“).

Später bezeichnete er das gefundene Gas als Oxygen (griech). = Säurebildner, woher das Elementsymbol O kommt. Er ging davon aus, dass der neu entdeckte Stoff elementarer Bestandteil aller Säuren sei [31].

In der Schule kann man den Versuch 1.1 „Eine Kerze erStick(stoff)t“ weiterführen (vgl. Kap. 4.1 „Woher kommt der Name Distickstoff?“).