Philipps-Universität Marburg
Fachbereich Chemie
Seminar: Übungen im Experimentalvortrag, WS 2005/06 Leitung: Prof. Dr. B. Neumüller, Dr. P. Reiß,
Prof. Dr. M. Bröring, Prof. Dr. Koert
Thema:
BODEN
Experimentalvortrag in Anorganik
Anke Schleipen,
Hinweis:
Dieses Protokoll stammt von der Seite www.chids.de (Chemie in der Schule).
Dort können unterschiedliche Materialien für den Schulunterricht heruntergeladen werden, unter anderem hunderte von Experimentalvorträgen so wie der vorliegende:
http://online-media.uni-marburg.de/chemie/chids/veranstaltungen/uebungen_experimentalvortrag.html
Inhaltsverzeichnis
0. Einleitung Seite 2
1. Definition Boden Seite 2
2. Entstehung und Gliederung des Bodens Seite 2
Demo 1: Filterwirkung von Böden Seite 6
2.1 Tonmineralien Seite 8
Versuch 1: Gartenerde als Ionenaustauscher Seite 11
Versuch 2: Quantitative und qualitative Kalkbestimmung Seite 15
3. Stoffkreisläufe Seite 18
3.1 Kohlenstoffkreislauf Seite 18
3.2 Schwefelkreislauf Seite 19
3.3 Phosphorkreislauf Seite 19
3.4 Stickstoffkreislauf Seite 20
Versuch 3: Nitratnachweis im Boden mittels Ringprobe Seite 21
4. Lebensraum Boden Seite 22
4.1 Flora Seite 22
Versuch 4: Eisennachweis im Boden und in der Pflanze Seite 23
4.2 Fauna Seite 25
Demo 2: Bodenenzymtest Seite 26
5. Bodenbelastung Seite 28
5.1 Saurer Regen Seite 28
Versuch 5: Nachweis von Aluminium-Ionen Seite 29
5.2 Persistenz von Schadstoffen im Boden Seite 30
6. Schulrelevanz Seite 31
7. Literaturangabe Seite 33
0. Einleitung
Mit dem Thema Boden assoziieren die meisten Menschen Dreck, Matsch, Ungeziefer. Dass aber Boden – die Lebensgrundlage aller Lebewesen – mehr ist als nur die augenscheinliche Masse an Erde, Geröll oder Sand, möchte ich in dieser Ausarbeitung darlegen.
1. Definition Boden
Der Boden (von althochdt.: bodam) ist die durch Verwitterung entstandene Grenze zwischen der Atmosphäre und der Lithosphäre (Gesteinsschicht). Dieser Bereich (die Pedosphäre) ist von Wasser, Luft und Lebewesen durchsetzt.
2. Entstehung und Gliederung des Bodens
Beim Boden muss man zunächst zwischen den Hauptbestandteilen des Bodens und deren Entstehung differenzieren. Man entscheidet zwischen den mineralischen Substanzen (z.B die Tonmineralien) und den organischen Substanzen (z.B. Humus). Diese entstehen entweder durch physikalische oder chemische Verwitterung.
Bei jedem Verwitterungsprozess dient das anstehende, zutage liegende Gestein als Ausgangsmaterial.
Pedosphäre
Biosphäre Hydrosphäre
Atmosphäre
Lithosphäre
Abb. 1: Boden (eigener Entwurf + nach Prof. Blume)
Physikalische Verwitterung
- Frostverwitterung: Wasser kann durch kleine Risse in das Gestein eindringen. Bei sinkenden Temperaturen gefriert das Wasser zu Eis. Eis hat ein größeres Volumen als Wasser und presst somit das Gestein auseinander.
- Temperaturverwitterung: Auch durch extreme Temperaturunterschiede, die z.B. in der Wüste zwischen Tag und Nacht herrschen, kann es zu Verwitterungs- bzw. Gesteinszerkleinerungsprozessen kommen. Durch die starken Temperaturunterschiede kann es in dem meist inhomogenen Gestein zu Spannungen kommen, die zu Spaltenbildungen oder Absprengungen von kleineren Teilen führen können.
- Salzverwitterung: Mit Salz angereichertes Regenwasser dringt durch kleine Risse in das Gestein ein. Durch Dehydratation und anschließender Auskristallisierung vergrößert sich das Volumen und das Gestein wird – wie bei der Frostverwitterung – aufgesprengt.
- Biologische Verwitterung: „Löwenzahneffekt“ (siehe Kindersendung)
Pflanzenwurzeln, die in Risse hineingewachsen sind, können durch weiteres Dickenwachstum der Wurzeln Gesteinsschichten aufsprengen.
Chemische Verwitterung:
- Lösungsverwitterung: Durch Einlagerung von Wasser in Salz- und Carbonat- gesteine können deren Bestandteile entweder in Lösung gehen (ausgewaschen werden) oder Kristallwasser aufnehmen (z.B. Umwandlung vom Anhydrit zum Gips).
Dadurch kann es oft zur Hohlraumbildung kommen, die
durch weitere Verwitterungsfaktoren einstürzen können.
- Kohlensäureverwitterung: Die Kohlensäureverwitterung ist eine Sonderform der Lösungsverwitterung. In „kohlensäurehaltigem“ Wasser können Carbonatgesteine vollständig aufgelöst werden.
- Oxidationsverwitterung: Eisen-, Schwefel- und Mangan haltige Gesteine können durch den Luftsauerstoff in Verbindung mit Wasser oxidiert werden.
Dabei kann man diese Reaktionen durch Farbveränderungen erkennen. Beispielsweise ist die Bildung von Hämatit und Goethit zu nennen.
Wie bereits skizziert laufen unter dem Einfluss und durch das Zusammenwirken der Bodenbildungsfaktoren Muttergestein, Klima, Lebewesen (Flora, Fauna, Mensch, Mikroorganismen) an der Erdoberfläche komplexe Prozesse ab, welche schließlich zur Bodenbildung führen.
Trotz ihrer Komplexität lässt sich die Pedogenese (Bodenbildung) auf vier grundlegende Bodenbildungsprozesse zurückführen: - Verwitterung
- Humusbildung - Verlagerung - Gefügebildung
Da für einen Experimentalvortrag in Anorganik von der Thematik nur die Verwitterung
relevant ist, werden die drei weiteren Bodenbildungsprozesse nur anhand der unten
dargestellten Abbildung veranschaulicht, um so zur Vollständigkeit der Pedogenese
beizutragen.
Wie auch in der obenstehenden Grafik zu entnehmen ist, ist der Verwitterungsprozess der Ausgangspunkt für eine weitere Differenzierung des Bodens.
Wenn die Pedogenese vollständig abgeschlossen ist, kann man beim Boden eine Schichtenabfolge beobachten. Diese Schichten, die die Folge von unterschiedlich tief wirksamen Bodenbildungvorgängen sind, werden Horizonte genannt. Diese Horizonte sind mehr oder weniger oberflächenparallel und gliedern die Böden.
Die unterschiedliche Art und Abfolge der Horizonte wird zur Unterscheidung von verschiedenen Bodentypen herangezogen. Der Übergang von einem Horizont zum nächsten kann extrem scharf (Millimeterbereich) bis vollkommen fließend sein.
Der zweidimensionale senkrechte Schnitt durch einen Boden, der die Abfolge der Horizonte in flächenhafter Ansicht zeigt, wird als Bodenprofil bezeichnet.
Die wichtigsten Horizonte sind folgende:
- L-Horizont: Streuauflage,
Organischer Horizont an der Bodenoberfläche von nicht oder wenig zersetzter Pflanzensubstanz mit weniger als 10 % Feinsubstanz
- O-Horizont: Organischer Horizont über dem Mineralboden aus Humusansammlung
- A-Horizont: Mineralischer Oberbodenhorizont mit einigen Anteilen organischer Substanz; wenige Tonmineralien
- B-Horizont: Mineralischer Unterbodenhorizont. Weniger Anteil an organischer Substanz; meist reich an Tonmineralien
- C-Horizont: Ausgangsgestein, aus dem der Boden entstanden ist
Man erkennt, dass das Regenwasser eine Vielzahl von Schichten passieren muss. Dadurch,
dass jede Schicht eine unterschiedliche Struktur aufweist, kommt es zu einer Filterung und
teilweise auch zu einem Mineralienaustausch. Denn nicht umsonst hört man oft den
Werbeslogan in der Werbung: „Ein reines Wasser muss durch einen tiefen Stein!“
Demo 1: Filterwirkung von Böden
Geräte: 1,5 L-PET-Flasche, Dreifuß, 2 1L-Bechergläser, Glasstab, diverses Stativmaterial
Chemikalien: Sand, Split, Kieselsteine (verschiedene Größen), fein gesiebte Erde, Moos, Regenwasser
Durchführung: Von der PET-Flasche wird der Flaschenhals abgeschnitten. Am Flaschenboden werden kleine Löcher (ca. 1,5 cm) Durchmesser geschnitten.
Anschließend wird nach folgendem Schema eine Art Bodenprofil in der Flasche geschichtet. Die Schichtungsabfolge wird von unterster zu oberster Schicht genannt:
- große Kieselsteine - mittlere Kieselsteine
- kleine Kieselsteine und Split - Split mit Erde
- Erde mit Sand - Moos
Zudem gibt man aus jeder Schichtkomponente etwas in ein Becherglas Und stellt damit mit Regenwasser „Matschwasser“ her.
Um die Filterwirkung des Bodens zu demonstrieren, schüttet man das
„Matschwasser“ auf das gewässerte Bodenmodell. Das gefilterte Wasser wird in einem weiteren Becherglas aufgefangen.
Beobachtung: Das gefilterte Wasser ist viel klarer.
natürliche Filterwirkung des Bodens
Aufgrund der Hoizontenabfolge kann man eine gewisse Bodensystematik festlegen. Böden mit gleicher oder ähnlicher Horizontabfolge zählt man zu den Bodenklassen. Zu den Bodentypen werden Böden mit charakteristischer Horizontabfolge und spezifische Eigenschaften der einzelnen Horizonte gezählt.
In Deutschland sind besonders drei Typen wichtig:
- Bleicherde: auch Podsol-Böden genannt.
Die ausgelaugten Heideböden weisen eine ausgesprochene saure Bodenlösung mit wenigen, nicht quellfähigen Tonmineralien auf. Da die meisten Mineralien ausgewaschen werden, ist auch Flora nur in begrenztem Maße ansiedlungsfähig.
- Braunerden: Zu den Braunerden zählen die meist neutral bis schwach sauren Waldböden. Sie enthalten den braunen Humus und quellfähige Tonmineralien. Diese – wird später noch einmal detailierter erläutert – binden bevorzugt Mineralien, die leicht ausgetauscht werden können, und stellen diese der Pflanze zur Verfügung.
- Schwarzerdeböden: Dieser Bodentyp ist im Osten Deutschlands anzutreffen. Ieser Bodentyp ist sehr stark humös, wodurch auch seine braune Farbe hervorkommt.
Das Ideal der Schwarzerdeböden – quellfähige Tonmineralien,
stark humös – wird in künstlich hergestellter Düngergartenerde
nachgeeifert.
2.1. Tonmineralien
Wie bereits erwähnt, kommen den Tonmineralien eine besondere Funktion im Boden zu.
Tonmineralien gehören zu den sekundären, pedogenen Mineralien; d.h. sie sind erst währen der Pedogenese entstanden. Diese Mineralien findet man vor allem in der Schluff- und in der Tonfraktion.
Sie sind für den Boden von großer Bedeutung, da sie quellfähig sind und dadurch dem Boden eine hohe Plastizität verleihen. Desweiteren kann durch ihre Ionenaustauscherfunktion (s.u.) dem Boden die notwedigen Mineralien und Ionen zugeführt werden, was besonders für die Fruchtbarkeit von Böden wichtig ist.
Zu den sekundären Mineralien zählen neben den Tonmineralien auch die Hydroxide und Oxidhydroxide von Eisen und Aluminium.
Tonmineralien sind OH-haltige, plättchenförmige Aluminiumsilikate, deren Einzelpartikel fast immer kleiner als 2 m sind.
Schichten von (Si,Al)O
4-Tetraedern sind über gemeinsame Sauerstoff- atome mit (Al,Mg,Fe)O
6-Oktaeder- schichten zu Schichtpaketen verknüpft.
Je nach Schichtabfolge unterscheidet man zwischen 2-Schicht-, 3-Schicht- und 4-Schicht-Mineralien.
Die einzelnen Schichtpakete werden im Kristall können entweder über Van-der-Waals-Kräfte (z.B. bei Talk, Pyrophyllit), Wasserstoffbrücken (z.B. bei Kaolinit, Halloysit) oder durch Zwischenschichtionen – in der
Regel Alkali- und
Erdalkalimetallionen – zusammn Engehalten werden (z.B. Illit, Vermiculit).
Abb. 3: Tonmineralien
(Quelle: Lehrbuch der Bodenkunde)
Die Oberfläche der meisten Tonmineralien ist aufgrund des isomorphen Austauschens ungleich geladener Zentralkationene (z.B. Al
3+gegen Si
4+) mit einer negativen Überschussladung versehen, welche den Tonmineralien eine Eigenschaft eines Ionenaustauschers verleihen.
Bei einzelnen Vertretern ist nur die äußere Oberfläche zugänglich (Illit, Kaolinit), während andere durch innerkristalline Wassereinlagerung aufweitbar und damit auch auf den Innenflächen ionenzugänglich sind (Montmorillonit, Vermiculit).
Bei einigen Tonmineralien kommt es auch zu Austauschanomalien bei bestimmten Kationen.
Manche Austauscher zeigen Austauscheigenschaften, die von den ansonsten bekannten Prinzipien abweichen. Dies wurde besonders bei Glimmern und Vermiculiten festgestellt. Die Abweichungen beruhen auf spezifische Wechselwirkungen zwischen den Kationen und den Tonmineralien. Diese Wechselwirkungen sind einerseits bedingt durch Eigenschaften der Tonminerale, vor allem an inneren Oberflächen (z.B. Kontraktion der Schichten bei hoher Schichtladung) und andererseits in gewissen Eigenschaften mancher Kationen (z.B.
Ionendurchmesser, Hydratationsenergie und Polarisierbarkeit).
In den weiteren Ausführungen zu den Austausch-Anomalien werde ich mich zu denen der Kalium-Ionen beschränken, da hierzu noch ein Versuch folgt.
Die Austauschanomalie von Kalium-Ionene beruht auf dem Ionendurchmesser im nicht hydratisierten Durchmesser (2,66 Angström) und der hohen Polarisierbarkeit.
Wenn Tonmineralien eine hohe Schichtladung (z.B. Illite, Vermiculite) besitzen, so können die in die Zwischenschichten eintretenden Kalium-Ionen auch bei Wasserüberschuss unter Verlust ihrer Hydrathülle in die napfartigen Vertiefungen zwischen den Tetraederlücken gezogen werden, so dass sich die Schichten kontrahieren und die Kalium-Ionen aufgrund gehemmter Diffusion in einen schwer austauschbaren Zustand übergehen (Kalium-Fixierung).
Bei einem möglichen Ionenaustausch werden daher die Calcium-Ionen gegen die Kalium-
Ionen ausgetauscht.
Tetraederschicht mit isomorphem Ersatz Oktaederschicht
Tetraederschicht mit isomorphem Ersatz
Wasser Austauschbares Kation K
+Abb. 4: Austauschanomalie (eigener Entwurf)
Versuch 1: Gartenerde als Ionenaustauscher Geräte: - mittelgroßer Trichter
- Filterpapier - 2 Reagenzgläser - 2 Bechergläser - Magnetrührer - Rührfisch - Tropfpipette
Chemikalien: - Kaliumchlorid-Lösung (w = 5 %) - Ammoniumoxalat-Lösung (w = 3 %) - Destilliertes Wasser
Durchführung: - 30 g luftgetrocknete Erde werden in einem Becherglas mit 50 mL dest. Wasser aufgeschlämmt und ca. 2 Minuten gerührt
- abfiltrieren bis klar
- einige mL des Filtrats werden in ein RG gegeben
- Überprüfung mithilfe der Ammoniumoxalat-Lösung auf Ca
2+-Ionen - die Gartenerde wird mit 50 mL der KCl-Lösung verrührt
- wieder abfiltrieren
- Überprüfung des Filtrats auf Ca
2+-Ionen
Beobachtung: Bei der ersten Überprüfung des Filtrats ist kein weißer Niederschlag erkennbar. Der Nachweis auf Ca
2+-Ionen ist negativ.
Bei der zweiten Überprüfung ist die Bildung eines weißen Niederschlags von Calciumoxalat sehr gut zu beobachten. Der Nachweis auf Ca
2+-Ionen ist positiv.
Deutung: 2 K
+(aq)+ C
2O
42- (aq)
Die Ca
2+-Ionen werden vom Boden gegen K
+-Ionen ausgetauscht.
Ca
2+(aq)+ C
2O
42-(aq)
CaC
2O
4 (s)
Ionenaustauscher
Ionenaustauscher ist die Sammelbezeichnung für anorganische oder organische, meist in Körnerform vorliegende Feststoffe, die aus Elektrolytlösungen positive oder negative Ionen aufnehmen und dafür eine gleichwertige Menge Ionen gleichen Vorzeichens abgeben.
Die Ionenaustauscher bestehen vorwiegend aus einem hochmolekularen dreidimensionalen wasserunlöslichen Gerüst (z.B. einem Kunstharz), das zahlreiche sogenannte Ankergruppen (z.B. –SO
3-oder -NH
3+) enthält. An diesen Ankergruppen sind „Gegenionen“ locker gebunden (z.B. –SO
3-H
3O
+oder –NH
3+*OH
-). Diese Ionen können leicht gegen andere gleichsinnig geladene Ionen getauscht werden.
Erfolgt ein Austausch von Kationen (z.B. Hydroniumionen H
3O
+gegen Natriumionen oder Calciumionen), so handelt es sich um einen Kationenaustauscher, werden Anionen ausgetauscht (z.B.
Hydroxidionen OH
-gegen Chloridionen oder Sulfationen), so wird von einem Anionenaustauscher gesprochen.
Ionenaustauscher werden u.a. zur Enthärtung von Wasser und zur Reinigung von Lösungen verwendet.
Der hier verwendeten Kunstharz-Ionenaustauscher kann in Form kleiner harter Körnchen gekauft werden. Um ihn als Ionenaustauscher zu verwenden, muss das Kunstharz erst in Wasser aufquellen. Wenn die Wassermoleküle in das Harzgerüst eindringen, werden die polaren Gruppen ionisiert.
Da zwischen den Fest- und den Gegenionen eine elektrostatische Anziehung besteht, können sich die Gegenionen nicht entfernen, aber durch eine entsprechende Anzahl anderer Ionen gleicher Ladung ausgetauscht werden.
Je nach der funktionell austauschaktiven Gruppe kann zwischen
schwach und stark basisch, sowie schwach und stark sauer
unterschieden werden:
Art des Ionenaustauschers Funktionelle, austauschaktive Gruppe Kationenaustauscher
schwach sauer
stark sauer
- OH Hydroxy-Gruppe - COOH Carboxy-Gruppe - SO
3H Sulfonsäure - PO(OH)
2Phosphonsäure Anionenaustauscher
schwach basisch
stark basisch
- NH
2Amino-Gruppe (primär) - NH Amino-Gruppe (sekundär) - N Amino-Gruppe (tertiär)
- N(CH
3)
3Amin (quartenär)
Der Ionenaustausch basiert auf der elektrostatischen Anziehungskraft (Coulomb-Kraft).
Die Ionen mit der höheren Anziehungskraft verdrängen die Ionen mit der geringeren Anziehungskraft.
Beispielsweise werden Calcium-Ionen (Ca
2+) von Aluminiumionen (Al
3+) aufgrund ihrer höheren Ladungszahl verdrängt. Aufgrund der höheren Ladung können Calcium-Ionen wiederum H
3O
+-Ionen und Natrium-Ionen (Na
+) verdrängen.
Das gleiche Prinzip gilt auch bei den Anionenaustauschern.
Haben die Ionen, die an einem Ionenaustausch beteiligt sind, die gleiche Ladung, so ist die Molekularmasse des Ions ausschlaggebend. Das Ion mit der geringeren Masse wird von dem Ion mit der höheren Molekularmasse verdrängt. Daher können Kalium-Ionen (M = 39,0983 g/mol) Natrium-Ionen (M = 23 g/mol) vom Ionenaustauscher verdrängen.
Das gleiche Prinzip gilt wiederum auch bei den Anionenaustauschern.
Selektivität ist die Rangfolge der Verdrängungsvorgänge.
Beispielsweise wären Kaliumionen selektivere Ionen als Natrium-
Ionen. Wenn selektivere Ionen weniger selektive Ionen verdrängen,
wird die Beladung genannt. Regeneration nennt man den Vorgang,
wenn selektive Ionen durch sehr viele weniger selektive Ionen verdrängt werden. Diese beiden Vorgänge liegen – je nach Selektivität des Ionenaustauschers- im Gleichgewicht.
Anwendung von Ionenaustauschern:
- Medikamente
- Herstellung von entionisiertem Wasser - Wasserenthärtung
Bei der Wasserenthärtung werden Ca
2+- und Mg
2+-Ionen entfernt, da diese durch beispielsweise Kalkseifenbildung erheblichen Schaden anrichten können und die Waschleistung mindern.
Diese Kationen werden mittels eines neutralen Kationenaustauschers mit Natrium-Ionen entfernt. Dort werden die Calcium- und Magnesium- Ionen gegen die Natrium-Ionen ausgetauscht.
Wasserenthärter sind in der Spülmaschine und im Waschmittel enthalten.
Nicht nur die Tonmineralien sind von großer Bedeutung für einen fruchtbaren Boden, sondern auch der Carbonatgehalt. Er ist nicht nur für einen konstanten Boden-pH-Wert zuständig (Puffersystem), sondern dient auch als Kohlenstoffquelle für die Pflanzen.
Daher ist es auch für einen Bauern sehr wichtig, wie hoch der Carbonatgehalt in seinem Ackerboden ist. Bei einem optimalen Carbonatgehalt – je nach Kulturpflanze zwischen 1 und 3 % - wachsen die Pflanzen sehr gut und der Boden wird nicht durch Übersäuerung ausgelaugt.
Mit der Tabelle kann der Bauer sehen, inwieweit der Boden kalkbedürftig ist.
sehr kalkreich
kalkreich genügend Kalk
mäßig Kalk
kaum Kalk schwach
bedürftig
etwas Kalkzusatz Häufiger kalken
häufiger kalken
3 % 3,0 – 1,5 % 1,5 – 0,5 % 0,5 – 0,25 % 0,25 %
Versuch 2: Quantitative und qualitative Kalkgehaltsbestimmung
Geräte: Gärröhrchen mit durchbohrten Stopfen, Reagenzglas, Pipetten, Pipettenhütchen, Bürette, Bürettenklammer, Magnetrührer mit Rührfisch, Erlenmeyerkolben, Glastrichter, Faltenfilter
Chemikalien: getrockneter Boden, Salzsäure (c(HCl)=1 mol/L), Natronlauge (c(NaOH)=1 mol/L), Calciumhydroxid-Lösung, Phenolphthalein
Durchführung: Vor Versuchsbeginn werden ca. 5 – 10 g Boden bei 100°C im Trockenschrank getrocknet.
Qualitative Kalkbestimmung:
In ein Reagenzglas wird fein zermörserte, trockene Bodenprobe gegeben. Anschließend gibt man einige Tropfen Salzsäure hinzu und verschließt sofort das Reagenzglas mit dem mit Calciumhydroxid- Lösung gefüllten Gärröhrchen.
Quantitative Kalkbestimmung:
3 – 5 g des getrockneten Bodens werden mit einem bestimmten Volumen 1molarer Salzsäure versetzt. Dabei reagiert die Salzsäure mit dem Calciumcarbonat. Während der gesamten Reaktion, die ca. 15 Minuten dauert, sollte die Suspension durchgerührt werden.
Anschließend wird abfiltriert und das Filtrat – nach Zugabe von dem Indikator Phenolphthalein - mit 1 molarer Natronlauge rücktitriert.
Die Titration ist beendet, wenn ein Farbumschlag erkennbar ist.
Die Berechnung des Kalkgehaltes erfolgt mit folgenden Formeln:
Berechnung der Stoffmenge CaCO
3:
n(CO
32-) = c(HCl) (V(HCl)
eingesetzt– V(NaOH)
verbraucht) Berechnung der Masse CaCO
3:
m(CaCO
3) = n(CaCO
3) M(CaCO
3) Berechnung des Massenanteils:
w(CaCO
3) = m(CaCO
3) / m(Einwaage Bodenprobe) Beobachtung: Qualitative Kalkbestimmung:
Nach der Säurezugabe kommt es zu einer regen Gasentwicklung, die sowohl im Reagenzglas als auch durch Aufblubbern der Bariumhydroxid-Lösung im Gärröhrchen zu erkennen ist.
Die vormals klare Bariumhydroxid-Lösung trübt sich beim Durchleiten des Gases.
Quantitative Kalkbestimmung:
Am Neutralpunkt ist die Lösung leicht violett.
Auswertung: Durch Ansäuern:
CO
32-(aq)
+ H
3O
+(aq) CO
2 (g) + H
2O
Abb. 5: Titrierung (eigener Entwurf)
Durch das Ansäuern von Carbonat-Ionen bildet sich formal Kohlensäure, die aber sehr instabil ist und somit – auch entropiegetrieben – in Wasser und Kohlendioxid zerfällt.
CO
2 (g)+ Ca(OH)
2 (aq) CaCO
3 (s)+ H
2O weiße
Trübung
Das Kohlendioxid reagiert mit den Hydroxid-Ionen der Calciumhydroxid-Lösung zu Carbonat-Ionen. Mit den Calcium-Ionen reagiert es weiter zu Calciumcarbonat, was für die weißliche Trübung im Gärröhrchen verantwortlich ist.
Quantitative Kalkbestimmung:
Einwaage: 5 g
V(HCl)
eingesetzt: 20 mL V(NaOH)
verbraucht: 18,9 mL
n(CaCO
3) = c(HCl) (V(HCl) – V(NaOH)) n(CaCO
3) = 0,001 mol
m(CaCO
3) = n(CaCO
3) M(CaCO
3) m(CaCO
3) = 0,11 g
w(CaCO
3) = m(CaCO
3) / m(Einwaage) w(CaCO
3) = 0,022
2,2 %
Der Kalkgehalt vom untersuchten Ackerboden liegt bei 2,2 % und liegt
somit im optimalen Bereich.
3. Stoffkreisläufe
Im Gegensatz zur Energie, die im Ökosystem zunehmend zu nicht mehr nutzbarer Wärme umgesetzt wird und daher dem System verloren geht, befinden sich die Stoffe in einem fortgesetzten Kreislauf.
Chemische Stoffe durchlaufen die Nahrungsnetze in Form von vielerlei Verbindungen und gelangen durch Mineralisierung in den unbelebten Bereich, wovon sie durch Organismen erneut aufgenommen werden können.
Im Boden sind folgende Kreisläufe von großer Bedeutung:
- Kohlenstoffkreislauf - Schwefelkreislauf - Stickstoffkreislauf - Phosphorkreislauf 3.1
Kohlenstoffkreislauf
Beim Kohlenstoffkreislauf kann man zwischen Kurzzeit-Kreislauf und Langzeit-Kreislauf unterscheiden.
Im folgenden wird zuerst der Kurzzeit-Kreislauf erläutert.
Die Pflanzen nehmen das CO
2aus der Atmosphäre auf und bauen aus diesem während der Photosynthese organische Substanz auf. Diese gebildeten Stoffe passieren die Nahrungskette.
Letztendlich wird wiederum durch die Atmung der Organismen CO
2der Atmosphäre zugeführt. Zu diesem Kreislauf zählt auch, dass auch organische Kohlenstoffverbindungen z.B. Humus im Boden gebunden werden.
Im Gegensatz zum Kurzzeit-Kreislauf beansprucht der Langzeit-Kreislauf Jahrtausende bis Jahrmillionen. Nicht nur im Meer gelangen unzählige Kohlenstoffverbindungen – z.B.
organische Verbindungen und Kalkschalen – in die Sedimente, wodurch auf lange Zeit durch Bildung von Torf, Kohle, Öl und Erdgas dem Kreislauf auf lange Zeit Kohlenstoff entzogen wird. Auch geschieht dies durch Bildung von Carbonatgesteinen.
Durch Verbrennung dieser fossilen Stoffe – größtenteils durch anthropogenen
Einfluss – werden wieder beachtliche Mengen an CO
2der Atmosphäre und somit dem
Kohlenstoffkreislauf zugeführt.
3.2
Schwefelkreislauf
3.3
Phosphorkreislauf
Im Gegensatz zu den anderen erwähnten Kreisläufen enthält der Phosphorkreislauf keine gasförmigen Verbindungen. Da die Atmosphäre an diesem Kreislauf nicht beteiligt ist, nennt man solche Kreisläufe auch „Ablagerungskreisläufe“.
Das aus Mineralien durch Verwitterung freigesetzte Phosphat wird von Lebewesen – sowohl Flora als auch Fauna – aufgenommen und in Biomoleküle, z.B. DNA und ATP, eingebaut.
Über die Nahrungskette gelangt es wieder in den Boden.
Ein weiterer Teil gelangt aber auch in die Fließgewässer, wo sie sich zum einen in Sedimente ablagern; zum anderen Teil kann das Phosphat über die Nahrungskette „Fische – Seevögel“
durch die Exkremente wieder an Land gelangen und somit riesige Guano-Lagerstätten bilden.
Wie bei vielen anderen Kreisläufen sind beim Schwefelkreislauf gasförmige Stoffe beteiligt.
Die Abb. Schwefelkreislauf zeigt die unterschiedlichen Verbindungen, in denen der Schwefel im Kreislauf vorkommt.
Die einzelnen Schritte bzw. Produkte werden hier nicht erläutert, da sie meist durch spezielle Bakterien produziert werden. Dies würde den Rahmen einer chemischen Ausarbeitung sprengen.
Abb. 6: Schwefelkreislauf (Quelle: Internet www.biologie.de/biowiki/Schwefelkreislauf)
3.4
Stickstoffkreislauf
Pflanzen (Produzenten) nehmen Stickstoff überwiegend als Nitrat NO
3-über die Wurzeln auf.
Wenn genügend vorhanden ist, kann auch in seltenen Fällen Ammonium NH
4+aufgenommen werden, was dann direkt in der Wurzel in Aminosäuren eingebaut wird.
Abb. 7: Phosphorkreislauf (Quelle: Daniela Heinrich)
Abb. 8: Stickstoffkreislauf (Quelle: Internet www.wikipedia.org/wiki/Stickstoffkreislauf)
Die Konsumenten (Tiere) nehmen die stickstoffhaltigen Verbindungen durch die Nahrungskette auf; im Boden kann dann – oft durch Hilfe von Destruenten – aus diesen Verbindungen von abgestorbenen Organismen Ammonium freigesetzt werden.
Desweiteren kann auch Ammonium durch Luftstickstoff fixierende Bakterien aus N
2gewonnen werden. Ammonium NH
4+wird durch nitrifizierende Mikroorganimen über Nitrit NO
2-zu Nitrat NO
3-oxidiert.
Dieses Nitrat kann von den Pflanzen aufgenommen werden. Jedoch kann Nitrat NO
3-auch durch „Nitratatmung“ (Denitrifikation) über NO
2- NO N
2O zu N
2reduziert werden.
Der Nitratkreislauf ist der in der Schule relevanteste Kreislauf, weswegen auch folgender Versuch ausgewählt wurde.
Versuch 3: Nitratnachweis im Boden mittels Ringprobe
Geräte: Reagenzgläser, Reagenzglasständer, Reagenzglasklammer, Pipetten, Pipettenhütchen, Schraubdeckelgläschen
Chemikalien: Bodenprobe, Schwefelsäure (c(H
2SO
4) = 2,5 mol/L), Eisen(II)sulfat FeSO
4, konz. Schwefelsäure
Durchführung: Vor Versuchsbeginn wird bereits eine Probelösung mit der zu untersuchenden Bodenprobe angesetzt. Ca. 2 g Bodenprobe werden mit 10 mL Wasser aufgeschlämmt und gut durchgeschüttelt. Da die Nitrate im Boden waserlöslich sind, kann dann aus diesem Wasser die weitere Untersuchung durchgeführt werden.
Einige wenige Tropfen der Probelösung werden im Reagenzglas
mit der gleichen Menge einer kalt gesättigten, mit 2,5 molarer
Schwefelsäure angesäuerten Eisensulfat-Lösung versetzt. Dann
wird vorsichtig mit konzentrierter Schwefelsäure unterschichtet,
indem man das Reagenzglas schräg hält und die konzentrierte
Schwefelsäure an der inneren Wandung herunterfließen lässt.
Beobachtung: An der Berührungszone wässrige Lösung / konzentrierte Schwefelsäure bildet sich je nach NO
3--Menge ein brauner bis amethystfarbener Ring.
Auswertung: Nitrat NO
3-wird durch die Zugabe von Fe
2+-Ionen zu NO reduziert, wobei Fe
2+zu Fe
3+oxidiert wird.
NO
3-+ 3 Fe
2++ 4 H
+ 3 Fe
3++ NO + 2 H
2O
Das NO fungiert als Ligand: Es kommt zu einem Ligandenaustausch; der entstandenen Komplex zeigt die charakteristische bräunliche Farbe.
NO + [Fe(H
2O)
6]
2+ [Fe(H
2O)
5(NO)]
2++ H
2O
4.
Lebensraum Boden
Der Boden bildet die Lebensgrundlage von Flora und Fauna.
4.1 Flora
Das Wachsen und Gedeihen der Pflanzen ist mit den bereits erwähnten physikalischen und chemischen Eigenschaften des Bodens sehr eng verbunden. Von besonderer Bedeutung und Einfluss sind Wassergehalt, Wasserdurchlässigkeit, Erwärmbarkeit, Durchlüftung und pH- Wert des Bodens.
Die Pflanze bezieht alle zum Wachstum und Leben notwendigen Mineralien und Nährstoffe aus dem Boden.
Diese kann man in Makro- und Mikronährelemente unterteilen.
Zu den Makronährelementen zählen folgende 10 Elemente: C, H, O, N, S, P, K, Ca, Mg und Fe. Wenn nur eines dieser Elemente nicht in ausreichender Menge vorhanden ist, kommt es zu Mangelerscheinungen.
Mikronährelemente sind die sogenannten Spurenelemente. Im Gegensatz zu den
Makronährelementen werden sie nur in geringen Menge benötigt. Oft sind sie Bestandteil von
Zu den Mikronährelementen zählen: Mn, Zn, Co, Cu, Mo, Na, B, Cl und Si.
Abgesehen von Kohlenstoff werden Nährelemente in folgender Form mit den Wurzeln aufgenommen:
- Stickstoff als Nitrat NO
3-oder Ammonium-Ion NH
4+oder als Harnstoff (bei Düngung)
- Schwefel und Phosphor als Sulfat SO
42-und Phosphat H
2PO
4-- alle Metalle und Übergangsmetalle als Kationen - Chlor als Chlorid Cl
-Mit dem folgenden Versuch möchte ich zeigen, dass Eisen ein Makronährelement ist. Das müsste bedeuten, dass es sowohl im Boden als auch in der Pflanze in ausreichender Menge vorhanden ist, um es auch mit einfachen Reagenzien nachweisen zu können.
Versuch 4: Nachweis von Fe
2+- und Fe
3+-Ionen im Boden und in der Pflanze
Geräte: Porzellantiegel, Teclubrenner, Tondreieck, Reagenzgläser, Reagenzglasständer, Pipetten, Pipettenhütchen, Präparategläschen, Spatel
Chemikalien: zerkleinerte Pflanzensubstanz, Salzsäure (w(HCl)=5 %), Kaliumthiocyanat, Kaliumhexacyanoferrat(III), Bodenprobe
Durchführung: Zunächst wird die zerkleinerte Pflanzensubstanz verascht. Tiegel mit ca. 5 – 10 g Pflanzensubstanz werden auf das Tondreieck gestellt und der Tiegelinhalt wird mit der Flamme des Teclubrenners verascht.
Die Veraschung ist beendet, wenn der Rückstand weiß bis schwach grau gefärbt ist.
Die Asche wird zu gleichen Teilen auf zwei Reagenzgläser verteilt. Das
gleiche auch mit ca. 3 g Bodenprobe. Man löst alles in entionisiertem
Wasser und säuert mit Salzsäure an. Die weiteren Untersuchungen
werden im Filtrat durchgeführt.
Zu dem Filtrat (einmal von Pflanzenasche und einmal von Bodenprobe) wird Kaliumthiocyanat hinzugegeben.
Nachweis für Fe
2+-Ionen:
Zu dem Filtrat (einmal von Pflanzenasche und einmal von Bodenprobe) wird Kaliumhexacyanoferrat(III) hinzugegeben.
Beobachtung: Nachweis für Fe
3+-Ionen:
In beiden Reagenzgläsern gibt es einen Farbumschlag nach blutrot.
Nachweis für Fe
2+-Ionen:
In beiden Reagenzgläsern färbt sich die Lösung tiefblau.
Deutung: Beim Fe
3+-Nachweis entsteht das rote Eisenthiocyanat (Fe(NCS)
3).
Beim Fe
2+-Nachweis entsteht Berliner Blau (KFe[Fe(CN)
6]).
Somit wäre nachgewiesen, dass sowohl im Boden als auch in der Pflanze Fe
2+- und Fe
3+-Ionen vorkommen und somit Eisen auch zu den Makronährelementen gehört.
Wie bereits erwähnt müssen alle Elemente in ausreichender Menge vorhanden sein, damit die Pflanzen wachsen können.
Da aber durch die Ernte die Pflanzen den lokalen Kreisläufen entzogen werden, kann es zu Verarmungen in den Böden an den Makronährelementen N, P, K, Ca, Mg und S und den Mikronährelementen Cu, Zn, Mo und B kommen. Für die Regeneration der Böden werden daher Dünger notwendig.
Dabei muss aber das Liebigs „Gesetz des Miniumums“ beachtet werden. Dieser Spezialfall
des ökologischen Pessimusgesetzes besagt, dass derjenige Nährstoff, der in geringster Menge
da ist, das Wachstum bestimmt.
Die oben gezeigte Abbildung verdeutlicht dies am Beispiel von Stickstoff-Mangel bei vollem Phosphor- und ausreichendem Kalium-Angebot.
Daher muss die relative Zusammensetzung des Düngers auf den Verbrauch zugeschnitten sein. Denn alles, was dem Boden zu viel zugeführt wird, ist Ballast für den Boden und führt zum Problem der Überdüngung; z.B. Eutrophierung von Gewässern bei P-Überschuss.
4.2 Fauna
Im Boden selbst leben eine Vielzahl von Tieren. Die Artenvielfalt reicht von Bakterien über Amöben, allerlei Insekten bis hin zu Kleinnagern.
Von der Lebensweise dieser Tiere – Gänge graben, Abgeben von Kot, Transport von Blättern in den Boden, Zersetzen von toten Organismen – profitiert der Boden. Unter anderem gewährleisten sie den Nährstoffeintrag und die Durchlüftung des Bodens.
Beispielsweise scheiden Bodenorganismen auch eine Vielzahl von Enzymen aus. Diese wirken im Boden am Humusbildungsprozess mit.
Diese Enzyme können nun zur Bewertung der Umsatzleistung und Humusbildung im Boden herangezogen werden. Dies wird mit dem unten dargestellten Test gemacht.
Wenn der Boden katalasereich ist, ist das ein Indiz dafür, dass der Boden reich an Mikroorganismen ist.
Aber diese Organismen sind auch sehr empfindlich, weswegen Bodenverunreinigungen vermieden werden sollten. Dies soll nun auch gezeigt werde, um den Schülern zu verdeutlichen, dass die Bodenfauna durch Schwermetalle und Altöl sehr große Schäden erleidet. Diese Demonstration ist sehr gut geeignet, den Schülern den Umweltaspekt der Schwermetallbelastung und dessen Folgen einprägsam und anschaulich darzustellen.
Abb. 9: Liebigs Gesetz (Quelle: Internet Prof. Blume)
Demo 2: Bodenenzymtest
Geräte: - Magnetrührer mit Rührfisch
- Erlenmeyerkolben mit seitl. Ableitung - Kurzer Gummischlauch
- Gewinkeltes Glasrohr - Messzylinder
- Glaswanne mit Wasser - Bodenprobe
Chemikalien: - Wasserstoffperoxid w(H
2O
2) = 3 % - Bodenprobe
- Altöl
Durchführung: - in das Reaktionsgefäß werden 5 g trockene Erde, der Rührfisch und 10 mL der Wasserstoffperoxid-Lösung gegeben
- nach dem schnellen Verschließen des Gefäßes werden eine Stoppuhr und der Magnetrührer eingeschaltet
- das sich bildende Gasvolumen wird nach 3 Minuten abgelesen - ebenso verfährt man auch mit einer mit Altöl belasteten Bodenprobe - Vergleich der Ergebnisse
Auswertung: Durch die Katalase zersetzt sich Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff.
2 H
2O
2(l) 2 H
2O + O
2(g)
Durch das Altöl werden die Mikroorganismen, die unter anderem
Katalase haben, beeinträchtigt, weswegen die Reaktion nicht/kaum
auftritt.
Theoretischer Hintergrund:
Katalysatoren sind Reaktionsbeschleuniger, gehen aber selbst unverändert aus der Reaktion hervor. Sie können zwar an einzelnen Elementarschritten beteiligt sind, aber sie werden nicht verbraucht, . Falls sie an einem Reaktionsschritt beteiligt sind, so werden sie in einem weiteren Reaktionsschritt wieder zurückgebildet.
A + Kat A...Kat A…Kat + B AB + Kat
Bei katalysierten Reaktionen haben im Vergleich zu nichtkatalysierten Reaktionen eine geringe Aktivierungsenergie E
a:
Es gibt 2 Arten von Katalyse, nämliche eine homogene und eine heterogene.
Bodenorganismen scheiden u.a. auch eine Vielzahl von Enzymen aus, die im Boden auch am Humusbildungsprozess mitwirken. Dazu zählt auch die Katalase.
Durch Schwermetall- und Altölkontamination haben die Bodenorganismen keine gute Lebensgrundlage mehr; somit wird der Boden ärmer an Organismen und somit an Enzymen.
Zudem werden durch Schwermetalle auch Enzyme gehemmt.
5.
Bodenbelastung
Beim Thema Boden muss auch der Aspekt der Bodenbelastung genannt werden. Wie bereits in den vorherigen Kapiteln erläutert, ist der Boden ein sehr komplexes Gefüge, was auf drastische Umweltveränderungen reagiert.
Daher werde ich hierbei auf die Auswirkungen von Saurem Regen und den Langzeitfolgen von Schwermetallkontaminierungen eingehen.
5.1
Saurer Regen
Zunächst einmal muss die Frage geklärt werden, was überhaupt Saurer Regen ist.
Auch der „normale“ regen hat einen pH-Wert, der im sauren Bereich liegt; nämlich bei pH = 5,6. Das kommt dadurch zustande, dass sich in der Luft befindliches Kohlendioxid CO
2sich in Wasser löst und somit formal Kohlensäure bildet. Kohlensäure H
2CO
3ist jedoch instabil, wodurch diese in dissoziierter Form vorliegt.
CO 2
(g)+ H 2 O
(l)"H 2 CO 3 " HCO 3 -
(aq)+ H +
(aq)Daher wird Niederschlag, der einen kleineren pH-wert als 5,6 hat, als Sauren Regen bezeichnet.
Ursachen dafür sind die bei Verbrennung von fossilen Brennstoffen- z.B. von Kohle, heizöl, Erdgas, beim Autofahren - entstehenden Stickoxide NO
xund Schwefeloxide SO
x.
Diese gase bilden zusammen mit Wasser Säuren.
Stickoxide mit Wasser:
2 NO
2+ H
2O „ HNO
2+ HNO
3” Schwefeloxide mit Wasser:
SO
2+ H
2O „H
2SO
3“ SO
3+ H
2O „H
2SO
4“
Die Auswirkungen von Sauren Regen kann man beim Waldsterben sehen.
Durch die Übersäuerung der Böden werden Schwermetallionen und auch die Aluminium- Ionen der Tonmineralien freigesetzt, die die Feinwurzeln des Baumes absterben lassen;
dadurch wird der Wasser- und Nährstoffhaushalt des Baumes erheblich gestört.
Durch das Auswaschen der Aluminiumionen aus den Tonmineralien verlieren ebendiese ihre Struktur und Funktion.
Die Auswirkungen von Saurem Regen kann man daher auch den Schülen sehr gut mit folgendem Versuch zeigen. Dabei wird gezeigt, dass durch Säureeinwirkung aus einem gesunden Boden die Aluminiumionen herausgewaschen werden. Diese können dann qualitativ nachgewiesen werden.
Versuch 5: Qualitativer Nachweis von Aluminium-Ionen
Geräte: Reagenzgläser, Reagenzglasklammer, Spatel, Pipetten, Pipettenhütchen, pH-Papier, UV-Lampe, Reagenzglasständer, Glasstäbe
Chemikalien: Kalilauge (KOH), Eisessig (CH
3COOH (konz.)), Morin,
Erde (getrocknet und gemörsert), verdünnte Schwefelsäure (H
2SO
4) Durchführung: Die Erde wird einige Zeit (am besten über Nacht) in verdünnte
Schwefelsäure gelegt. Ab und zu sollte gut durchgerührt werden.
Anschließend wird die Lösung zentrifugiert.
Für die weiteren Versuchs-Schritte wird das Zentrifugat verwendet.
Einige mL des Zentrifugats wird mit Kalilauge stark alkalisch gemacht, gut durchgeschüttelt, dann mit Eisessig stark angesäuert und mit einigen Tropfen der Morin-Lösung versetzt.
Anschließend hält man es unter eine UV-Lampe.
Eine Blindprobe mit der verwendeten Kalilauge und Morin ist zum Vergleich von Fluoreszenzfarbe und –stärke ratsam.
Auswertung: Aluminium-Ionen Al
3+bilden in neutraler oder essigsaurer Lösung mit
Morin eine intensiv fluoreszierende kolloidale Suspension.
5.2
Persistenz von Schadstoffen im Boden
Nicht nur der Saure Regen ist für den Boden sehr schädlich, sondern auch die Schwermetalle und Altlasten wie z.B. Öl.
Diese Schadstoffe bauen sich im Boden nur sehr langsam oder gar nicht ab. Deren Stabilität bezeichnet man mit Persistenz beschrieben.
Die Persistenz im Boden hängt von der Schadstoffart, Anfangskonzentration, pH-Wert, Temperatur, Adsorption, Durchlüftung und Sauerstoffgehalt ab. Aber auch die biologische Abbauaktivität durch Mikroorganismen darf nicht vernachlässigt werden.
Je nach Schadstoffart ist die Persistenz von unterschiedlicher Länge.
Einige Beispiele:
- Kupfer: Kupferverbindungen findet man vor allem in Weinbergböden. Da Kupfer antibakteriell und antimykotisch (gegen Pilzbefall) wirkt, wird es sehr häufig – auch in großen Mengen – im Weinbau eingesetzt.
Die Kupferbindungen sind kaum persistent, da sie gut löslich sind.
Zudem ist Kupfer auch ein Spurenelement des Bodens.
OH O
HO O
OH
OH OH
Al
3++ 3
Al O
O O
O O
O O
O O
HO HO
OH
OH HO
OH HO
OH
HO
OH
HO HO
