Schulorientiertes Experimentieren Leitung: Prof. Dr. Harsch, Musli WS 2007/2008 Luftverschmutzung...

Schulorientiertes ExperimentierenLeitung: Prof. Dr. Harsch, Musli

WS 2007/2008

Luftverschmutzung

Ralf Brauer, Sonja Herglotz

Eingliederung der Unterrichtseinheit

Eingliederung in die Klassenstufe 10/11 Es sollten bekannt sein:

Zusammensetzung der Luft (Aufbau der Erdatmosphäre)

Atome und Moleküle Redox-Reaktionen Säure-Base-Reaktionen

Aufbau der Unterrichtseinheit

Einstieg in die Unterrichtseinheit Hauptverursacher der Luftverschmutzung Vorstellung der Luftschadstoffe Folgen der Luftverschmutzung Verminderung der Luftverschmutzung

Einstieg

Einstieg

Hauptverursacher

Bei den Luftverunreinigungen wird zwischen Emissionen und Immissionen unterschieden:

Luftschadstoffe gelangen als Emissionen in die Atmosphäre (lat. emissio: das Herausschicken, Ausströmen lassen).

Sie wandeln sich in der Luft um und verteilen sich durch den Transport in der Luft über Ländergrenzen hinaus, wo sie weit von ihrem Ursprung entfernt als Immissionen nieder gehen können (lat. immissio: das Hineinlassen)

Quellen von Emissionen Man unterschiedet

natürliche und durch den Menschen verursachte Emissionen

Natürliche Emissionen Vulkanismus Gewitter Stoffwechsel bei Tieren u.

Pflanzen Verwesung Sandstürme uvm.

Anthropogene Emissionen

Spezialisierung auf Autoabgase

Forscherauftrag: Wie viel CO2 erzeugt unser Auto?

Fragt Eltern und Geschwister, wie viele Kilometer ihr Auto im vergangenen Jahr gefahren wurde (km/J) und wie viel Liter Benzin oder Diesel es pro 100 Kilometer durchschnittlich verbraucht hat (BV). Tragt die Werte in die Tabelle ein und ergänzt den Emissionswert (se) für den entsprechenden Motortyp!

Den CO2-Ausstoß errechnet ihr mit der Formel:

S = km/J BV seMotortyp/100

Beispiele

Ottomotor: seOtto = 2,32 kg CO2/l, Dieselmotor: seDiesel = 2,63 kg CO2/l,Erdgasmotor: seErdgas = 2,23 kg CO2/kg Erdgas

Formel: S = km/J BV seMotortyp/100

Auto Kilometer pro Jahr (km/J)

Verbrauch in l/100 km (BV)

Benziner oder Diesel?

CO2-Aus-stoß pro Liter (se)

CO2-Aus-stoß pro Jahr in kg

VW Lupo 12.500 3,0 Benziner 2,32 kg/l 870 kg/Jahr

Opel Astra (1,4 l, 90 PS)

12.500 6,3 Benziner

Ford Fiesta (1,4 l, 68 PS)

12.500 4,4 Diesel

Opel Zafira (1,6 l, 97 PS)

12.500 4,98 kg Erdgas

Nachweis von NOx in Auspuffgasen

Geräte: Luftballon oder Plastiktüte, Kolben oder großes Reagenzglas mit durchbohrtem Stopfen und Glasrohr

Chemikalien: Saltzmann-Reagenz (0,5 g Sulfanilsäure und 0,005 g N-(Naphthyl)-ethylendiamin-hydrochlorid in 5 ml Eisessig lösen, mit 100 ml dest. Wasser auffüllen)

Durchführung: Die Autoabgase werden in einem vorgedehnten Luftballon oder mit einer Plastiktüte aufgenommen und in einen Kolben mit dem entsprechenden Reagenz eingeleitet.

Beobachtung: Die Lösung färbt sich rosa.

Luftschadstoffe

Zusammensetzung der schädlichen Auspuffgase (Ottomotor)

CO2 87,6 Vol%

CO 10,3

NOx 0,6

SO2 0,06

CH 1,07

Aldehyde 0,4

Die Abgase eines Autos bestehen vor allem aus Stickstoff, Wasserdampf, Sauerstoff und Wasserstoff. Von 100 L Abgas sind etwa 10 l Schadgase.

Kohlenstoffdioxid

Kohlenstoffdioxid ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff

Summenformel CO2 Molare Masse 44 g/mol Dichte 1,98 kg·m–3 Schmelzpunkt –56,6 °C Siedepunkt –78,5 °C

(Sublimation)

CO2 ist ein farbloses, geruchloses und ungiftiges Gas

CO2 ist nicht brennbar (Verwendung in Feuerlöschern)

Es entsteht durch die Verbrennung von Kohlenstoff

In Wasser löst es sich unter Bildung von Kohlensäure:   CO2  +  H2O → H2CO3  

Nachweis: Kalkwasserprobe CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O

Kohlenstoffdioxid CO2 ist mit ca. 0,04% natürlicher Bestandteil der

Erdatmosphäre CO2 verhindert, dass die auf die Erdoberfläche

einfallende Sonnenenergie wieder durch Wärme-abstrahlung in den Weltraum verloren geht

Die vom Menschen emittierten Treibhausgase verursachen eine nachteilige Verstärkung dieses Effekts → Treibhauseffekt

In verdünnter Form mit Luft ist Kohlenstoffdioxid völlig ungiftig. Zu hohe Gehalte in der Atemluft sind jedoch gefährlich.

Kohlenstoffmonoxid

Kohlenstoffmonoxid ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff

Summenformel CO Molare Masse 28 g/mol Dichte 1,25 kg·m−3 Schmelzpunkt −205,07 °C Siedepunkt −191,55 °C

CO ist ein farb- und geruchsloses Gas

Hochentzündlich + giftig

Es entsteht bei unvollständiger Verbrennung von organischen Verbindungen: CO selbst ist brennbar und verbrennt mit blauer Flamme zusammen mit Sauerstoff zu CO2

CO ist ein Atemgift, da es die Sauerstoffaufnahme des Blutes verhindert:Es bindet etwa 210mal stärker an den roten Blutfarbstoff als Sauerstoff.

Schwefeldioxid

Schwefeldioxid ist das Anhydrid der schwefligen Säure H2SO3

Summenformel SO2

Molare Masse 64 g/mol Dichte 2,73 kg·m−3 Schmelzpunkt −75 °C Siedepunkt -10°C

SO2 ist ein farbloses, stechend riechendes und sauer schmeckendes, giftiges Gas

SO2 entsteht vor allem bei der Verbrennung von schwefel-haltigen fossilen Brennstoffen wie Kohle oder Erdölprodukten

SO2 trägt in erheblichem Maß zur Luftverschmutzung bei:Es ist der Grund für sauren Regen

H2O + SO2 → SO2 (gelöst) → H2SO3

Stickstoffdioxid

Stickstoffdioxid ist ein rotbraunes, stechend chlorähnlich riechendes Gas

Summenformel NO2

Molare Masse 46 g/mol Dichte 3,66 g/l Schmelzpunkt -11,2°C Siedepunkt 21,2°C

NO2 ist ein rotbraunes, stechend chlorähnlich riechendes und sehr giftiges Gas

NO2 kommt als Spurengas in der Atmosphäre mit den höchsten Werten in Bodennähe vor (Ozon- und Smogbildung)

Entstehung des Sauren Regens: Bildung von Salpetersäure2NO2 + H2O → HNO3 + HNO2

Reizung und Schädigung der Atmungsorgane, Inhibition der Atmungskette

Erweiterungen

Die Liste der Schadstoffe ist für größere Klassen oder Kurse erweiterbar durch Kohlenwasserstoffe Ozon Feinstaub ...

Folgen der Luftverschmutzung

Die Unterrichtseinheit ist, ausgehend vom Grundthema „Luftverschmutzung“ und den bisher dargelegten Fakten, erweiterbar.

Mögliche Themenfelder ergeben sich aus der zu Beginn erstellten Mind-Map oder/und aus aktuellen Gründen.

Themenfelder

Ozon In der Stratosphäre: Ozonloch In der Troposphäre (bodennah): Sommersmog

Wintersmog Feinstaub Saurer Regen Treibhauseffekt

Saurer Regen

Die Verbindung zu den vorigen Stunden führt über die bekannten Autoabgase Schwefeldioxid und die Stickoxide.

Anthropogene Quellen für Schwefeldioxid und Stickoxide

Verbrennung von Kohle, Heizöl und Benzin Der Straßenverkehr, die Schifffahrt und Flugzeuge.

ExperimentBildung von schwefliger Säure Geräte

Apparatur zur Darstellung von Schwefeldioxid, Schlauchverbindungen, Waschflasche.

Chemikalien Natriumdisulfit (Xi), Schwefelsäure (w = 10 %) (C), Universalindikatorlösung.

Durchführung Waschflasche zu 1/3 mit Wasser füllen und Universal-indikatorlösung hinzugeben.→ grün, pH-Wert um 7

Einleiten von Schwefeldioxid. → hellrot

http://www.chemieunterricht.de/dc2/auto/so2_02.htm

Gelangt Schwefeldioxid in Wasser, bildet es eine saure Lösung, die Schweflige Säure:

Die Schwefelige Säure bildet in Wasser H+(aq)-Ionen und es entstehen zwei Arten von Säurerestanionen:

Schweflige Säure reagiert zu einem Proton und einem Hydrogensulfition.

Ein Hydrogensulfition reagiert zu einem Proton und einem Sulfition.

Bei der Verbrennung von Schwefel und auch bei Oxidationsreaktionen in der Luft entsteht nicht nur Schwefeldioxid, sondern auch Schwefeltrioxid.

Schwefeltrioxid bildet mit Wasser zunächst Schwefelsäure:

Auch die Schwefelsäure zerfällt bei Zugabe von weiterem Wasser in Protonen und Säurerestanionen.

Schwefelsäure reagiert zu einem Proton und einem Hydrogensulfation.

Ein Hydrogensulfation reagiert zu einem Proton und einem Sulfation.

Ähnliche Reaktionen finden auch mit Stickoxiden und Kohlenstoffdioxid statt:

Stickoxide:

Kohlenstoffdioxid:

Dadurch beträgt der pH-Wert des unbelasteten Regens bereits 5,6. Erst bei einem pH-Wert unter 5,6 kann man deshalb von Saurem Regen sprechen.

Auswirkungen des Sauren Regens auf Kalkstein Geräte/Materialien: Erlenmeyerkolben, Becherglas (100ml), Doppelwinkelrohr,

durchbohrter Stopfen, Kalkstein (Marmorstückchen). Chemikalien: Verdünnte Schwefelsäure (etwa 5%ig), Kalkwasser

Wirkung auf Gebäude und Statuen Das Calciumcarbonat reagiert mit den gelösten Wasserstoffionen im

sauren Regen:

CaCO3 + 2H+ → CO2 +H2O + Ca2+

Dann reagieren die Sulfationen der Schwefelsäure mit den Calciumionen und überziehen den Marmor oder Kalkstein mit einer weißen Schicht von Gips:

Ca2+ +SO4

2− + 2H2O → CaSO4 + 2H2O

Auswirkungen von SO2 und NOX auf Kresse Geräte/Materialien: Einmachglas, Kresse, Becherglas Chemikalien: Natriumhydrogensulfitlösung (etwa 1%ig) Halbkonzentrierte Salpetersäure Sauberes Kupferblech

SO2

Dringt SO2 durch die Spaltöffnungen ins innere der Pflanzen ein, reagiert es dort mit Wasser unter Bildung von Schwefliger Säure.

→ wirkt sich u. a. negativ auf Enzymaktivitäten aus.

→ insbesondere bei der CO2-Fixierung → Ribulose-1,5-bisphosphat-carboxylase

Hinzu kommen sehr viele weitere komplizierte Wirkungen.

NOX

Stickoxide greifen u. a. Membranen der Pflanzen an und ändern somit ihre Durchlässigkeit.

Wie bei SO2 ist auch NOX für die Ansäuerung verschiedener Zellkompartimente verantwortlich, was Funktionsstörungen zur Folge hat.

Saurer Regen bei PISA

Der Treibhauseffekt

Schwedische Chemiker Arrhenius (1896): eine Atmosphäre, die nur aus Sauerstoff, Stickstoff und

Edelgasen besteht, müsste durchschnittlich -18 °C kalt sein.

Erdoberfläche: durchschnittliche Temperatur +15 °C. Unterschied = 33 °C.

Man unterscheidet einen "natürlichen" von einem "anthropogenen" Treibhauseffekt.

Die Verursacher des natürlichen Effekts von +33 °C sind:

Wie ist das mit der Sonne?

Arbeitsblatt: Ordne den Nummern den richtigen Text zu!

Die Rolle der Gase in der Atmosphäre kann mit dem Glas in einem Treibhaus verglichen werden.

Das Glas lässt das Sonnenlicht hinein und das Licht erwärmt Boden und Pflanzen im Treibhaus.

Diese geben Wärmestrahlung ab. Erreicht die Wärmestrahlung das Glas, so kann sie nicht

durchdringen, sondern das Glas sendet einen Teil der Strahlung zurück in das Treibhaus, in welchem es warm

wird. Schwächen des Modells??

Es sollte klar werden, dassGlas ein Feststoff ist, Treibhausgase nicht.Glas damit auch eine Barriere für warme

Luftströme ist.

Experiment: Wirkung von Wärmestrahlung auf Treibhausgase

Ergebnisse:

Fragen/Aufgaben

Ordne die Treibhausgase nach ihrer Fähigkeit Wärmestrahlung zu absorbieren.

Wie sind diese Ergebnisse mit nebenstehender Tabelle in Einklang zu bringen?

Drei-Wege-Katalysator

Der Katalysator ist dem Motor nachgeschaltet, dazwischen befindet sich eine Lambdasonde. Diese testet den Gehalt an unverbranntem Sauerstoff in den Abgasen.

Sie regelt die Luftzufuhr im Vergaser so, dass immer genauso viel Luft im Motor vorhanden ist , wie zur Verbrennung des Benzins benötigt wird.

Drei-Wege-Katalysator Der Autokatalysator besteht aus einem Keramikeinsatz, der von

winzigen, wabenförmigen Kanälen, welche mit Platin beschichtet sind, durchzogen ist. Das fein verteilte Platin wirkt als Katalysator.

Drei-Wege-Katalysator

Im Katalysator finden Redox-Reaktionen statt, bei denen die Schadstoffe zu unbedenklicheren Verbindungen reagieren

Bei einem Drei-Wege-Katalysator finden die Oxidation von CO und HmCn sowie die Reduktion von NOx parallel zueinander statt:

2 CO + O2 → 2 CO2

2 NO + 2 CO → N2 + 2 CO2

2 C2H6 + 7 O2 → 4 CO2 + 6 H2O

Arbeitsblatt

Experiment zum Abgaskatalysator

In zwei Vorversuchen werden 10 ml Stickoxid und 90 ml Kohlenstoffmonoxid in Kolbenprobern bereitgestellt

Die Apparatur wird entsprechend zusammen gebaut Man erhitzt den Katalysator so lange, bis er an einer Stelle

schwach glüht und leitet dann langsam das Gasgemisch darüber

Entfärbung des Gasgemisches, Kohlenstoffmonoxid ist nicht mehr nachweisbar, dafür aber Kohlenstoffdioxid

Verminderung von Kfz-Abgasen

Zur Verringerung der Schadstoffausstöße von Fahrzeugengibt es verschiedene Möglichkeiten:

Die Abgase müssen -wie besprochen- katalytisch nachverbrannt werden

Die Verbrennungsbedingungen im Motor müssen so gestaltet bzw. verändert werden, dass bei der Verbrennung möglichst wenig Schadstoffe entstehen

Die Motoren müssen mit alternativen Energieträgern angetrieben werden, die wenige oder gar keine Schadstoffe produzieren

Eine Obergrenze für CO2-Ausstoß kann festgelegt werden; bei Nichteinhaltung drohen Strafen → „Innovationsfeuerwerk der Industrie“

Die öffentlichen Verkehrsmittel sollten mehr ausgebaut werden, damit sie eine Alternative zum Auto darstellen...

Was kann ich tun?

Bei kürzeren Strecken mit dem Fahrrad statt mit dem Auto fahren

Autos besser auslasten: Fahrgemeinschaften gründen Wie viele Autos braucht eine vierköpfige Familie

wirklich? Bei längeren Strecken die Alternativen checken: Auto,

Bahn oder Flugzeug (UmweltMobilCheck bei der Bahn) ...