13 Kohlenstoff-Atom-Kreislauf · 13 Kohlenstoff-Atom-Kreislauf Elemente Chemie 8 – 10 Baden-Württemberg 217 Kreislauf des Kohlenstoff-Atoms und Klima (S. 374/375) A1 a) Pflanzen

13 Kohlenstoff-Atom-Kreislauf

Elemente Chemie 8 – 10 Baden-Württemberg 217

Kreislauf des Kohlenstoff-Atoms und Klima (S. 374 / 375)

A1 a) Pflanzen nehmen Kohlenstoffdioxid und Wasser auf und erzeugen daraus durch Fotosynthese

organische Kohlenstoff-Verbindungen. Ein Teil davon wird durch die Pflanzenatmung wieder abgebaut. Das dabei entstehende Kohlenstoffdioxid gelangt zum größten Teil wieder in die Atmo-sphäre. Tiere leben direkt oder indirekt von pflanzlicher Nahrung. Sie produzieren durch ihren Stoffwech-sel Kohlenstoffdioxid, das in die Atmosphäre zurückfließt. Durch Ausscheidungen und abgestorbe-ne Lebewesen gelangen Kohlenstoff-Verbindungen in den Boden. Bodentiere und Bakterien bauen die organische Substanz ab und führen der Atmosphäre Kohlenstoffdioxid zu. Die Energie, die alle Prozesse im Kreislauf benötigen, wird durch die Fotosynthese bereitgestellt. Damit hält die Sonnenenergie den Kohlenstoff-Atom-Kreislauf aufrecht.

b) Beispiellösung: Ein von einer Pflanze mit einem Kohlenstoffdioxid-Molekül aufgenommenes C-Atom kann durch die Pflanzenatmung wieder in die Atmosphäre abgegeben werden. Das C-Atom kann auch Bestandteil einer Verbindung in einem Blatt sein, das abstirbt und als Laub vermodert. In einem bei diesem Vorgang entstehenden Kohlenstoffdioxid-Molekül wird das C-Atom der Atmo- sphäre zurückgegeben.

c) Da Kohlenstoffdioxid in Wasser löslich ist, gelangen die C-Atome der Kohlenstoffdioxid-Moleküle aus der Atmosphäre in offene Gewässer. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass beim Abbau organischer Substanz im Boden Kohlenstoffdioxid mit dem Grundwasser in Flüsse oder Seen ausgeschwemmt wird.

A2 a) Phytoplankton (z. B. Kieselalgen) nimmt bei der Fotosynthese das in Wasser gelöste Kohlenstoff-

dioxid auf. Das im Meerwasser gelöste Kohlenstoffdioxid steht im Gleichgewicht mit dem Kohlen-stoffdioxid der Atmosphäre. Bei einer Algenblüte werden große Mengen an gelöstem Kohlenstoff-dioxid verbraucht, das aus der Atmosphäre ersetzt wird.

b) Zum Wachstum der Algen sind Nährstoffe erforderlich. Diese werden durch Flüsse in die Meere befördert und liegen hauptsächlich in Küsten- und Schelfgewässern vor, sodass in diesen die Be- dingungen für das Algenwachstum viel günstiger sind als in küstenfernen Gewässern. Ausnahmen sind dort die aufsteigenden Meeresströme, die Nährstoffe aus dem Tiefenwasser nach oben be- fördern.

A3 Überwiegt bei einem Speicher der Zufluss von Kohlenstoff gegenüber dessen Abgabe, so steigt der Kohlenstoffgehalt des Speichers. Für die Lithosphäre, die nahezu die gesamte Kohlenstoff-menge enthält, spielen nicht ausgeglichene Zu- und Abflüsse keine Rolle. Bei der Atmosphäre, dem kleinsten Kohlenstoffspeicher, kommt es durch ein Überwiegen des Zuflusses von Kohlenstoff zu einer deutlichen Zunahme des Kohlenstoffgehalts.

A4 Die Grafik zeigt, dass die Schwankungen des Kohlenstoffdioxid-Gehalts der Atmosphäre bis etwa 1850 relativ gering waren. Seither erfolgt ein immer stärkerer Anstieg (von ca. 285 ppm C O 2 auf 370 ppm C O 2 im Jahr 2000). Ursachen dafür sind Industrialisierung, Verkehr und Bevölkerungs-wachstum.

A5 Um die Dicke der „Luftschicht“ um den Fußball berechnen zu können, wird die im Text be- schriebene „Homogenhöhe“ der Atmosphäre von 8 km verwendet. Bei einem Fußball mit einem Durchmesser von 23 cm hätte diese Schicht eine Dicke von:

h = 8 km ⋅23 cm __ 12 756 km = 0,014 cm = 0,14 mm

(Dies entspricht ungefähr der Dicke einer Lackschicht.)

Zu den Aufgaben

DO01_3-12-756312_13_217_232_kohlenstoff_loe.indd 217 14.05.2019 14:31:52

218 Elemente Chemie 8 – 10 Baden-Württemberg

A6 Wenn Eisberge schmelzen, verringert sich die Dichte des Meerwassers. Diese Dichte ist aber entscheidend für das Aufrechterhalten einer für unsere Breiten wichtigen Meeresströmung, des Golfstroms. Durch ein Abschmelzen des Süßwassereises in den Eisbergen könnte die Dichte des Meerwassers so weit abnehmen, dass es nicht mehr in dem erforderlichen Maße absinkt und die Südströmung unterbleibt:

Jahresdurchschnitts-temperatur:


Europa

Nordpol

Nordamerika

Afrika

Atlantik

Südamerika

Grön-land

Arktische Winde kühlen das aus dem Süden kommende Wasser ab; Meereisbildung bindetSüßwasser - Die Salz-konzentration im Meer nimmt dadurch zu.

Durch die globale Erwärmung beginnt das Inlandeis zu schmelzen und die Meereis-bildung geht zurück.

Wasser wird „schwerer”, sinkt in die Tiefe und

strömt als kaltesTiefenwassernach Süden.

Das „leichtere” Süßwasser mischt sich mit dem

warmen Oberflächen-wasser und ist weder kalt

noch salzig genug, um absinken zu können.

Globale Erwärmung



Europa

Nordpol

Nordamerika

Afrika

Atlantik

Südamerika

Grön-land

Arktische Winde kühlen das aus dem Süden kommende Wasser ab; Meereisbildung bindetSüßwasser - Die Salz-konzentration im Meer nimmt dadurch zu.

Durch die globale Erwärmung beginnt das Inlandeis zu schmelzen und die Meereis-bildung geht zurück.

Wasser wird „schwerer”, sinkt in die Tiefe und

strömt als kaltesTiefenwassernach Süden.

Das „leichtere” Süßwasser mischt sich mit dem

warmen Oberflächen-wasser und ist weder kalt

noch salzig genug, um absinken zu können.

Globale Erwärmung

A7 Bis etwa 1980 liegen die beobachteten Temperaturabweichungen noch weitgehend innerhalb der Streuung der Modellrechnungen. Seit 1980 beobachtet man einen Trend zu größeren Tempera-turabweichungen, der durch natürliche Einflüsse (auf denen die Modellrechnungen beruhen) nicht zu erklären ist.

A8 Bis zu einer Höhe von etwa 12 km nimmt die Temperatur der Atmosphäre mit der Höhe ab. (Man kann das auch bei einer Reise mit dem Flugzeug beobachten, wenn Informationen über Flug- höhe und Außentemperatur angezeigt werden.)Es ist zunächst überraschend, dass in der Stratosphäre die Temperatur mit der Höhe wieder zunimmt. In [B8] erkennt man, dass in diesem Bereich UV-Strahlung absorbiert wird. Die Energie der absorbier-ten UV-Strahlung wird letztendlich in thermische Energie umgewandelt.Hinweis: Die Umwandlung in thermische Energie läuft zum Teil über den folgenden „Umweg“: Ein Sauerstoff-Molekül absorbiert ein UV-Photon und zerfällt in einer endothermen Reaktion in zwei Sauerstoffradikale; diese reagieren mit zwei weiteren Sauerstoff-Molekülen zu Ozon-Molekülen. Ein Ozon-Molekül absorbiert wieder ein UV-Photon und zerfällt in ein Sauerstoffradikal und ein Sauer-stoff-Molekül. Das Sauerstoffradikal kann mit einem weiteren Ozon-Molekül in einer exothermen Reaktion zu zwei Sauerstoff-Molekülen reagieren. Bei allen diesen Prozessen wird Wärme frei; auch bei den endothermen Reaktionen bleibt i. d. R. ein Teil der Energie des UV-Photons übrig.

13.1 Kohlenstoffoxide und Kohlensäure (S. 376 / 377)

A1 Bei unvollständigem Verbrennen (Ofen / Hochofen), in Motoren, in einer Zigarette

A2 Als Triebmittel beim Backen, Bierbrauen, als Kühlmittel, zur Extraktion (z. B. beim Entkoffei-nieren von Kaffee)

A3 C O 2 + H 2 O ⟶ H 2 C O 3 H 2 C O 3 + H 2 O ⟶ HC O 3 – + H 3 O + HC O 3 – + H 2 O ⟶ C O 3 2 – + H 3 O +

Zusatzinformation zu KohlensäureBis vor Kurzem konnte Kohlensäure als Reinstoff nicht nachgewiesen werden. Auch heute wird sie in Lehrbüchern als nur in wässriger Lösung existierende Säure beschrieben, die nur im Gleichgewicht mit Kohlenstoffdioxid und Wasser vorliegt. Verschiedene Forschergruppen konnten jedoch Kohlen-säure inzwischen isolieren und charakterisieren, sowohl als Feststoff wie auch in der Gasphase. Er- staunlich ist die außerordentlich hohe kinetische Stabilität. Bei der Temperatur T = 300 K wurde eine

Zu den Aufgaben



Halbwertszeit von 180 000 Jahren ermittelt. In wässriger Lösung zerfällt Kohlensäure allerdings sehr schnell. Schon ein einziges Wasser-Molekül erhöht die Zerfallsgeschwindigkeit um den Faktor 1 0 7 bis 1 0 9 . Mit dem Zerfall des ersten Hoydrogencarbonat-Moleküls setzt ein autokatalytischer Prozess ein, der den weiteren Zerfall stark beschleunigt, da ja beim Zerfall immer mehr katalytisch wirkende Wasser-Moleküle entstehen. Man nimmt an, dass Kohlensäure-Moleküle im Weltraum verbreitet vorkommen, und versucht, sie spektroskopisch nachzuweisen, da seit Kurzem das Infrarotspektrum der gasförmigen Kohlensäure ( H 2 C O 3 ) bekannt ist.

A4 H 2 C O 3 + H 2 O ⟶ HC O 3 – + H 3 O +

V1 Die Indikator-Lösung färbt sich orange. Es ist eine schwach saure Lösung entstanden.

V2 Die orange bis leicht rote Färbung von beiden Lösungen verändert sich beim Erhitzen zu einem schwachen Gelb.

V3 Bei hohem Druck wird die Bläschenbildung schwächer, bei geringem Druck stärker.

13.2 Carbonate und Hydrogencarbonate (S. 378 / 379)

A1 a) Wenn man eine Lösung von Calciumchlorid und eine Lösung von Natriumcarbonat zusammengibt,

fällt ein Feststoff aus. Da Natriumchlorid wasserlöslich ist, muss es sich um Calciumcarbonat handeln. Calciumcarbonat ist also schwerlöslich. Wenn Kohlenstoffdioxid in Wasser geleitet wird, entstehen Carbonat-Ionen. Bei Anwesenheit von Calcium-Ionen fällt Calciumcarbonat aus. (Man könnte auch noch auf die Rolle der Hydroxid-Ionen eingehen, das dürfte aber für die Altersstufe sehr schwierig sein.)

b) C a 2 + + 2 C l – + 2 N a + + C O 3 2 – ⟶ CaC O 3 + 2 N a + + 2 C l –

C O 2 + 2 H 2 O ⟶ H 2 C O 3 + H 2 O → HC O 3 – + H 3 O + HC O 3 – + H 2 O ⟶ C O 3 2 – + H 3 O + ⇒ C O 2 + 3 H 2 O ⟶ C O 3 2 – + 2 H 3 O +

C a 2 + + C O 3 2 – → CaC O 3 evtl.: C a 2 + + 2 O H – + C O 3 2 – + 2 H 3 O + → CaC O 3 + 4 H 2 O

A2 C a 2 + + HC O 3 – ⟶ CaC O 3 + C O 2 + H 2 O

V1 Die Lösung wird trüb, da das gebildete Calciumcarbonat praktisch unlöslich in Wasser ist.

V2 Es entsteht ein weißer Feststoff, der sich allmählich absetzt. Reaktionsgleichung siehe [A1]

V3 Salzsäure reagiert mit Kalk gemäß folgender Reaktionsgleichung:

2 H 3 O + (aq) + 2 C l – (aq) + CaC O 3 (s) ⟶ 2 H 2 O (l) + 2 C l – (aq) + C a 2 + (aq) + C O 2 (g)

Das entstehende C O 2 trübt den Tropfen Kalkwasser.

V4 Das durch Erhitzen von Natriumhydrogencarbonat entstehende Gas löscht die Kerzenflamme. Es ist also Kohlenstoffdioxid entstanden:

2 NaHC O 3 (s) ⟶ N a 2 C O 3 (s) + H 2 O (g) + C O 2 (g)

13.3 Rund um den Kalk (S. 380 / 381)

A1 Durch die Reaktion von Kalkstein mit Regenwasser, das aus der Luft oder dem Boden Kohlen-stoffdioxid aufgenommen hat, entsteht Calciumhydrogencarbonat-Lösung. Sie sickert durch Spalten oder Risse tiefer ins Gestein ein. Erreicht diese Lösung das Dach einer Höhle, verdunstet aus den hängenden Tropfen ein Teil des Wassers, und Kohlenstoffdioxid wird in die Höhlenluft abgegeben. Als Folge scheidet sich wieder festes Calciumcarbonat ab. Es entstehen Stalaktiten.Ebenso verhält es sich, wenn der Tropfen gefallen ist. An der Tropfstelle verdunstet ein Teil des Wassers, bis der nächste Tropfen fällt. Es entstehen Stalagmiten.

Zu den Versuchen

Zu den Aufgaben

Zu den Versuchen

Zu den Aufgaben



A2 Durch Auftropfen von verdünnter Salzsäure lässt sich Kalkgestein von anderem Gestein unter- scheiden. Ein Aufbrausen (Entwicklung von Kohlenstoffdioxid) weist auf Kalkgestein hin.

A3 Hartes Wasser enthält Calcium- und Magnesium-Ionen. Diese bilden mit den Carbonat-Ionen der Soda (Natriumcarbonat) nahezu unlösliche Carbonate, die aus dem Wasser ausgefällt werden:

C a 2 + (aq) + C O 3 2 – (aq) ⟶ CaC O 3 (s) bzw. M g 2 + (aq) + C O 3 2 – (aq) ⟶ MgC O 3 (s)

A4 Beim Eindampfen von Calciumhydrogencarbonat-Lösung bleibt Calciumcarbonat als Rück-stand:

C a 2 + (aq) + 2 HC O 3 – (aq) + H 2 O (l) ⟶ CaC O 3 (s) + C O 2 (g) + 2 H 2 O (g)

V1 Beim Einleiten von Kohlenstoffdioxid in Kalkwasser entsteht eine weiße Trübung durch Calciumcarbonat:

C a 2 + (aq) + 2 O H – (aq) + C O 2 (aq) ⟶ CaC O 3 (s) + H 2 O (l)

Beim weiteren Einleiten von Kohlenstoffdioxid verschwindet die Trübung wieder:

CaCO3 (s) + C O 2 (aq) + H 2 O (l) ⟶ C a 2 + (aq) + 2 HC O 3 – (aq)

Beim Erhitzen entsteht wieder festes Calciumcarbonat. Aus der heißen Lösung scheidet sich dieses gröber ab und ist nicht mehr so gut sichtbar, auch weil es sofort sedimentiert.Erklärung: Beim Erhitzen entweicht Kohlenstoffdioxid aus der Lösung, da es sich in heißem Wasser schlechter löst.

Hinweis zur Durchführung: Der Versuch gelingt, wenn eine gesättigte Calciumhydroxid-Lösung auf das Doppelte verdünnt wird.

V2 Nach kurzer Zeit entweicht unter Zischen Wasserdampf; die Kalkstückchen blähen sich auf. Bei weiterer Wasserzugabe zerfallen die Stückchen zu einem weißen Pulver.Erklärung: Die Reaktion von Calciumoxid (gebranntem Kalk) mit Wasser bezeichnet man als Kalklö-schen (es entsteht Löschkalk); die Reaktion ist stark exotherm:

CaO + H 2 O ⟶ Ca(OH ) 2

Hinweise zur Durchführung: Man gibt in einer Porzellanschale auf einige Stückchen Calciumoxid so viel Wasser, dass sie sich vollsaugen. Frisch gebranntes Calciumoxid reagiert besonders heftig. Es empfiehlt sich daher, den Versuch zunächst mit einer kleinen Probe durchzuführen.

V3 Lässt man den dicken Brei aus Calciumhydroxid, Sand und Wasser einige Tage an der Luft stehen, wird die Probe fest, an der Oberfläche ziemlich hart. Erklärung: Die Reaktion von gelöschtem Kalk mit Kohlenstoffdioxid bezeichnet man als Abbinden:

Ca(OH ) 2 + C O 2 ⟶ CaC O 3 + H 2 O

Wird Salzsäure aufgetropft, ist eine Gasentwicklung zu beobachten.

CaC O 3 + 2 H 3 O + ⟶ C a 2 + (aq) + 3 H 2 O + C O 2 (g)

Im Glas mit Kohlenstoffdioxid erhält man schon nach einem Tag das gleiche Ergebnis. Erklärung: In der reinen Kohlenstoffdioxid-Atmosphäre gelangt in kurzer Zeit wesentlich mehr Kohlenstoffdioxid an die Mörtel-Oberfläche als in einer Luft-Atmosphäre, die nur ca. 0,04 % Kohlen-stoffdioxid enthält.

V4 a) Gibt man Seifenlösung zu Leitungswasser, so entsteht im Gegensatz zu dest. Wasser eine weiße

Trübung durch schwer lösliche Kalkseife. Beim Schütteln schäumt die Probe mit dest. Wasser stärker als die Probe mit Leitungswasser. Erklärung: Je weniger Seife gelöst ist, desto schwächer ist die Schaumbildung.

b) Regenwasser und Leitungswasser, in dem Soda gelöst wurde, verhalten sich bei der Untersuchung mit Seifenlösung wie dest. Wasser. In gleicher Weise verhält sich auch die Probe mit aufgekochtem Leitungswasser, allerdings nur dann, wenn lediglich Carbonathärte vorliegt. Erklärung: siehe [A3] Die Probe mit Mineralwasser schäumt kaum; es bildet sich eine weiße Suspension. Erklärung: Mineralwasser enthält i. d. R. Calcium- und Magnesium-Ionen in hoher Konzentration. Ein Großteil der zugesetzten Seife wird als Kalkseife ausgefällt; es ist dann kaum noch gelöste Seife vorhanden, die Schaum bilden könnte.

Zu den Versuchen



13.4 Kalk und Wasserhärte (S. 382 / 383)

V1 Bestimmung des Kalkgehalts durch Rücktitration

Aufgabenlösungen Beispiel für die Bestimmung des Kalkgehalts von Eierschalen:

a) Volumen der reagierten Salzsäure: Einwaage: m (Probe) = 0,52 g V (Salzsäure, gesamt) = 20,0 ml V (Natronlauge) = 10,6 ml → V (Salzsäure, übrig) = 10,6 ml ⇒ V (Salzsäure, reagiert) = 20 ml – 10,6 ml = 9,4 ml

b) Masse des Kalks: m (Kalk) = V (Salzsäure, reagiert) · 0,05 g/ml = 9,4 ml · 0,05 g/ml = 0,47 g

c) Massenanteil des Kalks:

w (Kalk) = m (Kalk)

__ m (Probe) = 0,47 g

_ 0,52 g = 0,90 ≙ 90 %

Die Literaturwerte für den Kalkgehalt von Eierschalen liegen zwischen 89 % und 97 %. Einige Ergebnisse von Schülergruppen: 88,4 %; 89,5 %; 90,3 %; 92,0 %.

V2 Reaktionsgleichung: 2 R – CO O – (aq) + C a 2 + (aq) ⟶ (R – COO ) 2 Ca (s)

Beispiel: Bestimmung der Gesamthärte von Leitungswasser (Trinkwasser) mit Seifenlösung nach Boutron-Boudet (Angabe laut Hersteller der Seifenlösung: 2,4 ml Verbrauch von Seifenlösung für 40 ml Probe entspricht der Gesamthärte von 12,3 °dH.)

V (Probe) = 40 mlV (Seifenlösung) ≈ 2,9 ml (Der Endpunkt ließ sich nicht eindeutig ermitteln.)

⇒ Ungefährer Wert der Gesamthärte: 2,9 ml · 12,3 °dH

___ 2,4 ml ≈ 15 °dH

Um eine deutlichere Schaumbildung zu erhalten, wurden 20 ml Leitungswasser mit 20 ml dest. Wasser verdünnt, dafür wurde das Titrationsergebnis mit 2 multipliziert:

V (Probe) = 20 mlV (Seifenlösung) = 1,32 ml

⇒ Genauerer Wert der Gesamthärte: 1,32 ml · 2 · 12,3 °dH

___ 2,4 ml = 13,5 °dH

Angabe des Wasserlieferanten zum Vergleich: 13,9 °dH im November 2011; 14,5 °dH im Juli 2014

Hinweis zur Durchführung: Ältere Seifenlösung sollte mit einer Referenzlösung neu kalibriert werden.

13.5 Der Kreislauf der Kohlenstoff-Atome (S. 384 – 386)

A1 Die am geologischen Kohlenstoff-Atom-Kreislauf beteiligten Speicher sind: die Sedimente, das Meer und die Atmosphäre

A2 Kohlenstoffdioxid wird beim „Lösen“ von Carbonatgestein und bei der Verwitterung von Silicatgestein verbraucht. Es entsteht bei der Bildung von Kalkskeletten und Muschelschalen sowie Kalktuff, weiterhin bei der magmatischen Zersetzung von Carbonatgestein.

Zu den Versuchen

Zu den Aufgaben



A3

A4 Kohlenstoffdioxid reagiert mit Wasser unter Bildung einer kohlensauren Lösung:

C O 2 + 2 H 2 O ⟶ HC O 3 – + H 3 O +

Die Oxonium-Ionen der Lösung reagieren mit den Carbonat–Ionen zu Hydrogencarbonat–Ionen:

C O 3 2 – + H 3 O + ⟶ HC O 3 – + H 2 O

Carbonat-Ionen sind in Calciumcarbonat gebunden, dieses ist in Wasser unlöslich. Calciumhydrogen-carbonat ist jedoch wasserlöslich, und so können die Hydrogencarbonat-Ionen mit dem Wasser weggeschwemmt werden. Calciumcarbonat wird also mit der Zeit vom Regenwasser zerstört.

A5 Dolomit reagiert mit dem Kohlenstoffdioxid aus dem Regenwasser wie das im Text beschrie-bene Calciumcarbonat, nur dass hier noch Magnesium-Ionen beteiligt sind:CaMg ( CO 3 ) 2 (s) + 2 C O 2 (g) + 2 H 2 O (l) ⟶ C a 2 + (aq) + M g 2 + (aq) + 4 HC O 3 – (aq)

A6 Die am biologischen Kohlenstoff-Atom-Kreislauf beteiligten Speicher sind: die Biomasse, das Meer und die Atmosphäre

A7 Der Aufbau von Kohlenstoff-Verbindungen durch die Aufnahme von Kohlenstoffdioxid bei der Fotosynthese und deren Abbau unter Abgabe von Kohlenstoffdioxid bilden den biologischen Kohlenstoff-Atom-Kreislauf.

A8 Durch geologische Prozesse gelangt Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre und ins Meer. Dieses Kohlenstoffdioxid wird von Pflanzen aufgenommen und geht in den biologischen Kreislauf ein. Beim Abbau organischer Verbindungen entstehendes Kohlenstoffdioxid kann über das Regenwasser in den geologischen Kreislauf gelangen.

13.6 Versuche mit Kohlenstoffdioxid (S. 387)

V1 Ein überraschender VersuchNach dem Auflösen der ersten Brausetablette bleibt die Flüssigkeit im Zylinder praktisch unverändert; entstehendes Gas wird vollständig aufgenommen. Die zweite Tablette bewirkt bereits ein Gasvolumen im Zylinder; das entsprechende Flüssigkeitsvolumen wird verdrängt. Nach Zugabe der dritten Tablette verdrängt das entstehende Gas alle Flüssigkeit aus dem Standzylinder.Deutung: Das aus der Reaktion der Brausetablette mit dem Wasser entstehende Kohlenstoffdioxid löst sich zunächst im Wasser. Irgendwann ist die Grenze der Löslichkeit erreicht, und weiteres Kohlen- stoffdioxid wird nicht mehr gelöst, sondern verdrängt die Flüssigkeit aus dem Standzylinder.

Hinweise zur Durchführung Die Kristallisierschale sollte nicht zu klein sein, sodass sie das Wasser aus dem Standzylinder aufnehmen kann. Falls eine große Schale nicht zur Verfügung steht, sollte man eine Wanne verwenden oder den Versuch im Waschbecken durchführen.Bei der Variante für zu Hause reichen i. d. R. zwei Tabletten aus.

CO2

H2O

CaCO3

Ca2+

2 HCO3–

Zu den Versuchen



V2 Kohlenstoffdioxid im Ozean (Salzwasser) – Löslichkeit und TemperaturDas Gasvolumen im Kolbenprober nimmt ab, danach zeigt der Indikator bei Versuch a) und bei Versuch b) einen pH-Wert von etwa 5 an. Beim Versuch b) ist die Volumenabnahme größer als beim Versuch a).Deutung: Bei einer Temperatur von 15 °C ist die Volumenabnahme größer als bei 20 °C. Kohlenstoff-dioxid löst sich also in kälterem Salzwasser besser als in wärmerem. Der Indikator zeigt in beiden Fällen an, dass die vorher schwach alkalische Lösung schwach sauer wird (pH ≈ 5). Ein Teil des Kohlenstoffdioxids muss also mit dem Wasser unter Bildung von H 3 O + -Ionen reagiert haben:

C O 2 + 2 H 2 O ⟶ H 3 O + + HC O 3 –

Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre wird demnach im Meerwasser gelöst und führt zu einer Senkung des pH-Werts. In kaltem Meerwasser löst sich mehr Kohlenstoffdioxid als in warmem. Erwärmt sich also das Meerwasser, kann es weniger Kohlenstoffdioxid lösen, dadurch könnte sich der Kohlenstoffdioxid-Gehalt der Atmosphäre erhöhen.

Hinweise zur Durchführung Der Versuch ist so dimensioniert, dass der Kolbenprober mit 80 ml Luft gefüllt wird, nicht mit Kohlen- stoffdioxid.

Beobachtung und Deutung der Variante für zu Hause: Beim Schütteln der PET-Flasche löst sich das Kohlenstoffdioxid . Es entsteht ein Unterdruck in der Flasche; durch den Druck der Atmosphäre wird die Flasche zusammengedrückt. – Als PET-Flaschen sind hier 1-Liter- oder 1,5-Liter-Flaschen für Mineralwasser zu empfehlen. Sie

müssen dünnwandig und weich sein. – Die Kohlenstoffdioxid-Fahrradpumpen sind in Fachgeschäften für Rennräder zu erwerben. – Im folgenden Artikel wird beschrieben, wie man Kohlenstoffdioxid aus einem „Sprudler“ gewinnt:

J. Soentgen: Lob des C O 2 – Das verrufene Gas. Chemie in unserer Zeit 45 (1 / 2011), S. 48

V3 Säurewirkung einer Kohlenstoffdioxid-LösungAufgabenlösungena) Die Indikatorlösung verändert ihre Farbe von Grün (neutral) bzw. Blaugrün (alkalisch) nach gelb

(schwach sauer).b) Die anfänglich auftretende Trübung bzw. der Niederschlag löst sich wieder auf.

Die Lösung wird durch die Reaktion von Kohlenstoffdioxid mit Wasser sauer. Es bilden sich H 3 O + - Ionen:

C O 2 + 2 H 2 O ⟶ H 3 O + + HC O 3 –

Beim Versuch a) wird das durch die Indikator-Lösung angezeigt. Beim Versuch b) löst sich der Niederschlag von Calciumcarbonat durch die Reaktion mit H 3 O + -Ionen wieder auf:

CaC O 3 + H 3 O + ⟶ C a 2 + + HC O 3 – + H 2 O

13.7 Kohlenstoffdioxid im Ozean (S. 388 / 389)

A1 Durch die Erhöhung des Kohlenstoffdioxidgehalts der Atmosphäre wird das Gleichgewicht zwischen dem gasförmigen und dem im Meerwasser gelösten Kohlenstoffdioxid so verschoben, dass sich seine Konzentration im Meer erhöht. Damit kommt es auch zur Verschiebung der Folgegleich-gewichte. Diese Veränderungen vollziehen sich zunächst im Oberflächenwasser.Durch die Erhöhung der Durchschnittstemperatur der Atmosphäre kommt es aber auch zu einer Er- höhung der Durchschnittstemperatur des Oberflächenwassers. Mit zunehmender Temperatur nimmt die Löslichkeit des Kohlenstoffdioxids ab.Würden sich beide Tendenzen kompensieren, läge keine Veränderung des Kohlenstoffdioxid-Gehalts der Meere vor. Es lässt sich jedoch eine Abnahme des pH-Werts der Meere nachweisen. Ursache dieser Versauerung ist eine Erhöhung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration.

A2 Der durchlichteten Zone des Meeres wird durch die Fotosynthese des Phytoplanktons Kohlen- stoffdioxid entzogen. Unterhalb dieser Zone wird abgestorbenes Material von Bakterien unter Kohlen- stoffdioxid-Entwicklung abgebaut. Mit zunehmender Tiefe ist weniger abgestorbenes Material vorhanden, das abgebaut werden kann.

A3 Individuelle Leistung bei der Erstellung einer Präsentation. Recherche z. B. mit dem Suchbegriff „Korallensterben im Pazifik“

Zu den Aufgaben



13.8 Erdatmosphäre und Treibhauseffekt (S. 390 / 391)

A1 Die Reflexion der Sonneneinstrahlung erfolgt an der Erdoberfläche (besonders Wüsten, Eis- und Wasserflächen), an den Wolken und an Schwebteilchen in der Luft (Aerosole).

A2 Die Treibhausgase absorbieren einen Teil der Wärmestrahlung der Erde. Die absorbierte Energie erhöht die Temperatur der Atmosphäre. Die mittlere Temperatur an der Erdoberfläche beträgt dadurch ca. + 15 °C. Ohne den Treibhauseffekt würde sie bei ca. – 18 °C liegen.

A3 Da das molare Volumen eines Gases näherungsweise nicht von der Art der Teilchen abhängig ist, sind die Volumenkonzentrationen ungefähr gleich den Stoffmengenanteilen. Daher kann man für die folgenden Überlegungen die Volumenkonzentrationen verwenden. Der Beitrag zum natürlichen Treibhauseffekt wird auf die Volumenkonzentration vor 1750 bezogen.

Der Kohlenstoffdioxid-Anteil von 0,028 % bewirkt einen Beitrag zum Treibhauseffekt von 26 %. Der Mathan-Anteil von 0,00007 % bewirkt einen Beitrag zum Treibhauseffekt von 3 %. Um die Zahlen zu vergleichen, kann man den Beitrag zum Treibhauseffekt durch den Volumenanteil dividieren:

Für C O 2 : 26 % __ 0,028 % ≈ 930

Für C H 4 : 3 % __ 0,00007 % ≈ 43 000

Für Methan ergibt sich eine wesentlich höhere Zahl als für Kohlenstoffdioxid, also hat ein Methan-Molekül eine höhere Wirksamkeit bezüglich des Treibhauseffekts.

Man kann die Zahlen zu Kohlenstoffdioxid und Methan auch quantitativ vergleichen, indem man sie durcheinander dividiert: 43 000/930 ≈ 46. Ein Methan-Molekül ist also etwa 46-mal so wirksam wie ein Kohlenstoffdioxid-Molekül.

Alternativer Lösungsweg: Der Kohlenstoffdioxid Anteil in der Atmosphäre vor 1750 war etwa 400-mal so groß wie der Methan-Anteil. Der Beitrag des Kohlenstoffdioxids zum natürlichen Treib-hauseffekt ist aber nur etwa 8,7-mal so groß wie der Beitrag des Methans. Auch daraus ergibt sich, dass ein Methan-Molekül eine höhere Wirksamkeit bezüglich des Treibhauseffekts hat. Die Division dieser beiden Relativwerte ergibt die gleiche Verhältniszahl wie oben: 400/8,7 ≈ 46.

Hinweis: Man kann die Verhältniszahl 46 so umrechnen, dass statt gleicher Molekül-Anzahlen (Stoffmengen) gleiche Massen von Kohlenstoffdioxid und Methan verglichen werden:

46 ⋅ M (C O 2 )

__ M (C H 4 ) = 46 ⋅ 44 _ 16 ≈ 130

Diese Verhältniszahl ist höher als das Treibhauspotenzial (C O 2 -Äquivalent, GWP, global warming potential) von Methan, da beim Treibhauspotenzial auch eine langfristige chemische Umwandlung der Gase berücksichtigt wird. Das Treibhauspotenzial eines Gases wird berechnet, indem man (in Gedanken) eine bestimmte Masse des Gases in unsere Atmosphäre freisetzt und die dadurch in einem definierten Zeitraum insgesamt absorbierte Energie mit der Energie vergleicht, die von der gleichen Masse Kohlenstoffdioxid absorbiert wird. Dabei ist auch berücksichtigt, dass das Gas evtl. in andere Stoffe umgewandelt wird. Das Treibhauspotenzial von Kohlenstoffdioxid ist als Vergleichswert gleich eins gesetzt. Für Methan findet man die folgenden Angaben: GWP = 21 (gemäß Kyoto-Pro-tokoll, bezogen auf 100 Jahre), GWP = 28 (gemäß IPCC, bezogen auf 100 Jahre), GWP = 84 (gemäß IPCC, bezogen auf 20 Jahre).Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Treibhauspotenzial

13.9 Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre (S. 392 / 393)

A1 Die Eingriffe des Menschen erfolgen über Brandrodung und über das Verbrennen von Erdgas und Erdöl.

A2 Man erhält einen Wert bei 417 – 418 ppm.

A3 Die Erhöhung wird ca. 1 °C betragen.

Zu den Aufgaben

Zu den Aufgaben



A4 Individuelle Lösung Das sog. 2-Grad-Ziel geht als politische Zielformulierung auf einen Vorschlag der EU aus dem Jahre 1996 zurück. Auf der Weltklimakonferenz der Vereinten Nationen vom 30. November bis 12. Dezem-ber 2017 in Paris wurde ein Nachfolgevertrag für das Kyoto-Protokoll von 1997 mit verbindlichen Klimazielen für alle 195 Mitgliedsstaaten der UN-Klimarahmenkonvention vereinbart. Als Ziel wurde festgeschrieben, die globale Erwärmung auf unter 2 Grad über dem vorindustriellen Niveau zu be- grenzen und 1,5 °C globale Mitteltemperatur anzustreben.Das 2-Grad-Ziel kann nur erreicht werden, wenn vor allem die Industrieländer, die historisch gesehen den größten Teil der Erwärmung zu verantworten haben, noch vor 2015 den Trend ihrer Kohlenstoff-dioxid-Emissionen umsteuern und bis 2020 auf ein Drittel reduzieren.

Zusatzinformationen

Was ist der Unterschied zwischen Wetter und Klima? Den aktuellen Zustand der Atmosphäre (Temperaturverlauf, Windverhältnisse, Niederschlag, Bewöl-kung) an einem bestimmten Ort bezeichnet man als Wetter. Klima ist die Statistik des Wetters. Also muss für eine längere Zeitspanne (meist werden 30 Jahre gewählt) neben Mittelwerten auch die Wahrscheinlichkeit für eine bestimmte Abweichung davon berechnet werden. Das kann für einen Ort, eine Region oder das globale Mittel von Wettergrößen gemacht werden. Das Klima muss sich langfristig immer ändern, weil die Landverteilung, die Erdbahn um die Sonne und die Sonneneinstrahlung variieren. (Nach N. Noreiks: Das Klimasystem. Poster des Max-Planck-Instituts für Meteorologie)

Wie wird die globale Mitteltemperatur bestimmt? Die globale Mitteltemperatur wird durch Interpolation von Temperaturmessungen an einzelnen Klimastationen auf großräumige Temperaturmuster berechnet und dann durch Flächenmittelung gewonnen. Die erforderlichen Temperaturen werden in den Klimastationen 2 m über dem Boden bestimmt. Für die Ozeane wird die Temperatur der Meeresoberfläche gemessen und mit einem Fak- tor eingearbeitet. Das Land ist in quadratische Rasterflächen der Kantenlänge von ca. 50 km aufge-teilt. Die globalen Datensätze werden in England zusammengefasst und dort von den Klimarechen- zentren bzw. meteorologischen Instituten abgerufen.

Die Entwicklung der ErdatmosphäreDie Erde entstand vor ca. 4,6 Mrd. Jahren. Vor ca. 3,6 Mrd. Jahren hatte sich durch Vulkanausbrüche eine Uratmosphäre gebildet, die vermutlich aus ca. 80 % Wasserdampf, 10 % Kohlenstoffdioxid sowie Stickstoff, Ammoniak, Methan und Schwefelverbindungen bestand. Wegen der günstigen Entfernung der Erde zur Sonne kondensierte der Wasserdampf mit der Zeit zu einem Urozean. Darin lösten sich große Mengen Kohlenstoffdioxid. Ein großer Teil des gelösten Kohlenstoffdioxids wurde mit Calcium-Ionen aus der Verwitterung von Gesteinen in Form von Carbonat-Sedimenten gebunden, sodass die Atmosphäre schließlich überwiegend aus Stickstoff bestand.Im Wasser (das Schutz vor der UV-Strahlung bot) konnten sich die ersten Lebewesen entwickeln. Vor ca. 3 Mrd. Jahren begannen Cyanobakterien (Blaualgen) über Fotosynthese Sauerstoff zu erzeugen. Der Anstieg des Sauerstoffgehalts verlief verhalten, da zunächst eine Oxidation vorhandener re- duzierender Stoffe erfolgte. Vor ca. 700 Mio. Jahren betrug der Sauerstoffgehalt noch ca. 3 %, aber fing nun an, rascher zu steigen. Durch die nun einsetzende Ozonbildung wurde ein großer Teil der UV-Strahlung absorbiert; damit war Leben außerhalb des Wassers möglich.Den heutigen Sauerstoffgehalt besitzt die Atmosphäre seit ca. 350 Mio. Jahren.

Der natürliche TreibhauseffektDer Oberfläche der Erde (darunter versteht man in diesem Zusammenhang den obersten Teil der Erdkruste, die obere Schicht der Ozeane und die unteren Schichten der Atmosphäre) wird Energie durch die Sonnenstrahlung zugeführt. Die auf die Erde einfallende Sonnenstrahlung wird zu 30 % reflektiert. Die restlichen 70 % werden absorbiert, und zwar zu etwa 50 % vom Erdboden und zu etwa 20 % von der Atmosphäre. Dass die Atmosphäre nur einen relativ kleinen Teil der Sonnenstrahlung absorbiert, liegt daran, dass die in der Atmosphäre vorhandenen Gase das Licht im sichtbaren Bereich des Spektrums nicht oder nur sehr wenig absorbieren.Allerdings absorbieren die drei- und mehratomigen Moleküle der Gase Wasserdampf, Kohlenstoff-dioxid, Ammoniak, Methan, Distickstoffoxid, Ozon und die Moleküle der Chlorfluorkohlenwasserstoffe (CFKW) Strahlung im infraroten Bereich. Diese Gase sind in der Atmosphäre nur in geringen Anteilen vorhanden; sie sind Spurengase. Der durch die Sonnenstrahlung erwärmte Erdboden gibt Wärme-strahlung ab, die im Wesentlichen im infraroten Bereich liegt. Die Spurengase absorbieren einen großen Teil dieser vom Erdboden abgegebenen Wärmestrahlung. Die Atmosphäre wird dadurch wärmer und gibt ihrerseits mehr Wärmestrahlung (ebenfalls im infraroten Bereich) ab, und zwar in alle Richtungen, also etwa je zur Hälfte nach oben in den Weltraum und nach unten. Die nach unten gehende Strahlung trifft wieder auf den Erdboden und wird absorbiert. Der Erdboden wird wärmer und gibt seinerseits mehr Wärmestrahlung ab.



Dieser Vorgang zwischen Erdboden und Atmosphäre muss so häufig ablaufen, bis die abgestrahlte Energiemenge der absorbierten Energiemenge (70 % der Sonneneinstrahlung) entspricht. Die Tem- peratur der Erdoberfläche wird fast ausschließlich durch dieses Strahlungsgleichgewicht zwischen der absorbierten Sonnenenergie und der abgestrahlten Wärmestrahlung bestimmt. Es handelt sich dabei um ein Fließgleichgewicht (stationärer Zustand). Die „verzögerte“ Abstrahlung führt zu einer Temperaturerhöhung von 33 °C.

Zusätzlicher, anthropogener TreibhauseffektDurch die Erhöhung des Anteils der natürlich vorkommenden Spurengase und durch weitere, nur vom Menschen verursachte Spurengase (v. a. CFKW) wird eine zusätzliche Temperaturerhöhung bewirkt. Besonders problematisch ist dabei die Tatsache, dass diese Erhöhung des Anteils der Spuren-gase im Vergleich zur erdgeschichtlichen Entwicklung mit hoher Geschwindigkeit abläuft.Zum anthropogenen Treibhauseffekt tragen auch die Abgase des Flugverkehrs bei. Wegen der geringen Wasserdampfkonzentration in der oberen Troposphäre und der unteren Stratosphäre und wegen der langen Verweilzeit des Wasserdampfes haben diese Emissionen eine nicht zu vernachläs-sigende Wirkung.

Verdeutlichung des Treibhauseffektes durch ein ModellexperimentDie Einstellung des Gleichgewichts zwischen absorbierter und abgestrahlter Energiemenge kann im Unterricht durch ein Modellexperiment mit entsprechenden Analogisierungen verdeutlicht werden:In ein Glasrohr (ca. 6 – 10 cm Durchmesser) fließt ein gleichmäßiger Strom Leitungswasser. Das Glas- rohr ist unten durch einen durchbohrten Stopfen mit Hahn „verschlossen“. Der Hahn ist zunächst vollständig geöffnet. Im Glasrohr steigt zunächst der Wasserstand, weil die Menge des pro Sekunde zufließenden Wassers größer ist als die Menge des pro Sekunde abfließenden Wassers. Nach kurzer Zeit stellt sich ein Fließgleichgewicht mit konstanter Füllhöhe ein, weil ebenso viel Wasser ausfließt wie zufließt.Nun wird der Hahn teilweise geschlossen. Der Wasserstand im Glasrohr steigt zunächst an, bis sich wieder eine konstante Füllhöhe einstellt, die aber höher ist als vorher.Interpretation: Das zufließende Leitungswasser entspricht der absorbierten Sonneneinstrahlung (Energiemenge); die abfließende Wassermenge entspricht der abgestrahlten Energiemenge. Die Verengung des Durchlasses entspricht der Erhöhung des Anteils der Spurengase bzw. die geringere Durchlässigkeit der Atmosphäre für die Wärmestrahlung. Die Folge der Verengung des Durchlasses ist eine größere Füllhöhe im Fließgleichgewicht. Entsprechend führt eine Erhöhung des Anteils der Spurengase zur Erhöhung der Temperatur der Erdoberfläche.Dies ist sicherlich ein sehr einfaches Modell, das sich durch Verfeinerungen verbessern lässt. Aller- dings verdeutlicht es, dass sich die Temperatur auf der Erde erhöhen kann, ohne dass sich die Sonnen- einstrahlung ändert oder die ausgeglichene Energiebilanz verletzt wird.

Mögliche Folgen des Treibhauseffekts Wenn man davon ausgeht, dass keine Maßnahmen zur Begrenzung der Emissionen der Treibhausgase erfolgen, wird die globale Mitteltemperatur nach den Berechnungen anhand von Klimamodellen um ca. 0,3 °C ± 0,15 °C pro Jahrzehnt ansteigen. Daraus ergibt sich für einen Zeitraum von 100 Jahren eine Erhöhung der globale Mitteltemperatur von 3 °C ± 1,5 °C. Eine solch rasche Erwärmung ist in der Klima- geschichte ungewöhnlich.Aus einer solchen Temperaturerhöhung lassen sich einige Aussagen über die globalen Klimaänderun-gen ableiten; regionale Aussagen sind wegen der groben Auflösungen der Klimamodelle unsicher: – Der bodennahe Temperaturanstieg ist über dem Land größer als über den Ozeanen. Wegen der

größeren Landmassen der Nordhalbkugel wird die Erwärmung auf der Nordhalbkugel größer aus- fallen auf der Südhalbkugel.

– In den tropischen Breiten wird die Erwärmung zunächst stärker sein als in den höheren Breiten. Bei weiterer Zunahme der Spurengase wird sich die Region der stärksten Erwärmung aber insbesondere in die hohen Breiten der Nordhalbkugel verschieben. Aufgrund der stärkeren Verdunstung von Oberflächenwasser werden die Niederschläge vorwiegend in den höheren Breiten der Erde und in den Monsungebieten Asiens zunehmen, im Winter auch in den mittleren Breiten der Nord- halbkugel. In den Sommermonaten kommt es über den außertropischen Landgebieten eher zu einer Verringerung der Niederschläge und damit zu einer Abnahme der Bodenfeuchtigkeit.

– Die klimabedingten Wetteränderungen könnten die Gegensätze zwischen Feucht- und Trocken-gebieten verstärken. Als Folge davon könnten insbesondere in den Tropen und Subtropen extreme Wetterlagen wie anhaltende Dürren im Wechsel mit Starkniederschlägen häufiger auftreten.

– Der Anstieg des Meeresspiegels um 30 bis 50 cm bis zum Jahre 2050 könnte zu einer Häufung und Verstärkung von Flutkatastrophen und zur permanenten Überflutung von fruchtbaren und z. T. dicht besiedelten Niederungsgebieten führen. Diese Überflutungen würden mit Sicherheit große Flüchtlingsströme („Ökoflüchtlinge“) auslösen.

– Wälder und andere Ökosysteme könnten sich wahrscheinlich der sehr schnellen Klimaänderung nicht anpassen. Die ökologischen Folgen können bisher kaum abgeschätzt werden.



– Die Klimaänderung könnte die landwirtschaftliche Produktion insbesondere in den semiariden Gebieten gefährden, bei gleichzeitig wachsender Weltbevölkerung.

Folgende Indizien weisen auf eine beginnende Klimaänderung hin: – Die globale Mitteltemperatur zeigt seit den letzten 100 Jahren einen Anstieg zwischen 0,3 °C und

0,6 °C mit einer Häufung sehr warmer Jahre in den 1980er- und beginnenden 1990er-Jahren. – Die jährliche Schneebedeckung ist auf der Nordhalbkugel seit den frühen 1970er-Jahren um ca. 8 %

zurückgegangen. – Die Masse der Alpengletscher hat seit 1850 um ca. 50 % abgenommen. – Die Niederschläge in der Sahelzone sind zurückgegangen. – Seit Mitte der 1970er-Jahre haben sich die tropischen Ozeane zunehmend erwärmt; dieses ist ver-

bunden mit einer Zunahme des Wasserdampfgehaltes der unteren Troposphäre. – In der Stratosphäre hat die Temperatur abgenommen.

Diese Indizien stellen für sich noch keinen Beweis für den anthropogenen Treibhauseffekt dar, da die bisherigen Beobachtungen noch innerhalb der Bandbreite natürlicher Schwankungen liegen. Allerdings sind die beobachteten Klimaerscheinungen im Einklang mit den Ergebnissen der Klima- modelle.

Einige wichtige Begriffe zur SonnenstrahlungSonnenlicht. 7 % der von der Sonne am Erdboden eintreffenden Strahlung liegen im ultravioletten Bereich, 46 % im sichtbaren und 47 % im infraroten Bereich.

Absorption. Unter Absorption versteht man einen Vorgang, bei dem Materie Strahlungsenergie auf- nimmt und in andere Energieformen umwandelt, z. B. in Molekülschwingungen. In der Atmosphäre absorbieren im Wesentlichen drei Gase: Ozon ( O 3 ) absorbiert den größten Teil der ultravioletten Sonnenstrahlung. Kohlenstoffdioxid (C O 2 ) und vor allem Wasserdampf ( H 2 O) absorbieren einen er- heblichen Teil der Infrarotstrahlung. Vom sichtbaren Licht wird ein relativ geringer Anteil absorbiert.

Reflexion. Bei der Reflexion wird ein mehr oder weniger großer Teil der auf eine Oberfläche auf-treffenden Strahlung zurückgeworfen. Schnee und Eis der Erdoberfläche werfen z. B. auftreffende Sonnenstrahlung weitgehend zurück. Innerhalb der Atmosphäre erfolgt Reflexion an den Wasser-tröpfchen und Eiskristallen der Wolken.

Strahlung, Wellen, Energie. Man kann die von einem Körper ausgehende Strahlung (z. B. die Infra- rotstrahlung und das Licht einer Glühlampe oder die Infrarotstrahlung eines Ofens) als elektromag-netische Wellen beschreiben. Elektromagnetische Wellen sind durch ihre Wellenlänge l charakteri-siert; diese wird meist in μm (1 0 – 6 m) oder nm (1 0 – 9 m) angegeben. Meist besteht eine Strahlung aus elektromagnetischen Wellen unterschiedlicher Wellenlänge. Zerlegt man eine Strahlung, z. B. mithilfe eines Prismas oder eines optischen Gitters, so erhält man das Spektrum dieser Strahlung.Die kleinste Einheit der elektromagnetischen Strahlung ist ein Photon. Jedes Photon besitzt eine bestimmte Energie, abhängig von der Wellenlänge. Je kleiner die Wellenlänge, desto größer ist die Energie eines Photons. So ruft z. B. längerwellige Infrarotstrahlung auf der Haut nur ein Wärmegefühl hervor, während kürzerwellige Ultraviolettstrahlung zu einem Sonnenbrand führt. Die von der Sonne ausgehende Strahlung erstreckt sich über große Wellenlängenbereiche.

Wärmestrahlung. Jeder Körper emittiert elektromagnetische Wellen, deren Intensität und Wellen-längenbereich von seiner Temperatur abhängen. Diese Strahlung bezeichnet man als Wärmestrah-lung. Die Wärmestrahlung nicht allzu heißer Körper besteht zum Großteil aus Infrarotstrahlung, daher wird Wärmestrahlung manchmal mit Infrarotstrahlung gleichgesetzt. Mit steigender Temperatur nimmt jedoch der Anteil des sichtbaren Lichts und der Ultraviolettstrahlung an der Wärmestrahlung zu. Auch das Sonnenlicht ist ein Teil der Wärmestrahlung der Sonne.

Absorption von Strahlung. Beim Auftreffen von Strahlung auf Materie kommt es zu Wechselwirkun-gen. Die Atome und Moleküle absorbieren einen Teil der Strahlung und nehmen deren Energie auf. Dadurch kann es z. B. zur verstärkten Rotation oder Schwingung der Teilchen kommen, bei energie-reicher Strahlung auch zur Spaltung von Bindungen.Um z. B. eine bestimmte Schwingung anzuregen, kann ein Molekül nur eine bestimmte „Energiepor-tion“ aufnehmen. Da i. d. R. ein Molekül ein Photon absorbiert, ist zur Anregung dieser Schwingung nur Strahlung der entsprechenden Wellenlänge geeignet. Es ist auch nicht möglich, mit dieser ener- giearmen Strahlung eine Bindung zu spalten, auch nicht durch längere Bestrahlung oder Hellerstellen der Strahlungsquelle. Hierdurch würden nur mehr Moleküle angeregt.Ein Stoff absorbiert also Strahlung in ganz bestimmten Wellenlängenbereichen, während er andere Strahlung durchlässt. Die Auftragung des Absorptionsgrades gegen die Wellenlänge der Strahlung bezeichnet man als Absorptionsspektrum dieses Stoffes.



13.10 Landwirtschaft und Böden als Klimafaktoren (S. 394 / 395)

A1 An der Permafrostregion sind die folgenden Länder beteiligt: Russland, USA (Alaska), Kanada, Dänemark (Grönland), Island und Norwegen.

A2 Im Sommer taut die obere Bodenschicht auf, Bakterien und Kleinstlebewesen können dann abgestorbene Biomasse in den Mooren zersetzen. Dabei entstehen die erwähnten Treibhausgase.

A3 Distickstoffmonooxid ( N 2 O, Lachgas) entsteht u. a. aus Fäkalien und Stickstoffdüngern, wenn im Boden Sauerstoffmangel herrscht. Denitrifizierende Bakterien zersetzen Nitrat über Nitrit zu Di- stickstoffmonooxid und weiter zu Stickstoff. Zum letzten Schritt benötigen die Bakterien das Enzym Distickstoffmonooxid-Reduktase.Dieses Enzym ist allerdings besonders sauerstoffempfindlich und fällt daher unter den Bedingungen im Ackerboden häufig aus, sodass die Reaktionskette beim Distickstoffmonooxid beendet ist. Auch bei der katalytischen Entstickung (Zerlegung von Stickstoffoxiden in Stickstoff und Sauerstoff) in Kraftwerken und Kraftfahrzeugen entsteht als Nebenprodukt Distickstoffmonooxid.

13.11 Erneuerbare Energiequellen (S. 396 / 397)

A1 Grundsätzlich gibt es zwei Arten der Energiegewinnung:1. das Verbrennen fossiler und nachwachsender Brennstoffe,2. die Nutzung von Sonne, Wind, Wasser und Erdwärme:

– Die Strahlung der Sonne wird zum einen durch Sonnenkollektoren genutzt, in denen Flüssig-keiten erhitzt werden, zum anderen durch Fotovoltaikanlagen, in denen Strom erzeugt wird.

– In Windkraftanlagen wird mithilfe von Rotoren, die Generatoren bewegen, Strom erzeugt. – In Wasserkraftwerken nutzt man das aus Stauseen oder Staustufen herabstürzende Wasser, das

(über Turbinen) ebenfalls Generatoren bewegt und so Strom erzeugt. – In Geothermiekraftwerken wird die Erdwärme genutzt, indem Wasser durch tiefe Erdschichten

gepumpt wird. Es erhitzt sich dort und kann, wieder an die Erdoberfläche gelangt, Turbinen an- treiben. Die mit den Turbinen gekoppelten Generatoren erzeugen Strom.

A2 Fossile Brennstoffe sind Kohle (Braunkohle und Steinkohle), Erdöl und Erdgas. Sie sind vor Jahrmillionen aus abgestorbenen Pflanzen und Tieren entstanden, d. h., sie enthalten Kohlenstoff, der damals durch Fotosynthese der Atmosphäre entzogen wurde. Beim Verbrennen von Kohle, Erdöl und Erdgas entsteht Kohlenstoffdioxid aus diesem lange in der Erde gespeicherten Kohlenstoff. Auf diese Weise wird die Kohlenstoffdioxid-Konzentration in der heutigen Atmosphäre erhöht.Da Kohlenstoffdioxid ein Treibhausgas ist, erwärmt sich die Atmosphäre über das natürliche Maß hinaus. Zudem entstehen beim Verbrennen fossiler Brennstoffe wie Kohle u. a. schwermetallhaltige Stäube, die aus dem Abgas entfernt und entsorgt werden müssen. Weiterhin können bei der Verbrennung Schwefeldioxid und Stickstoffoxide entstehen, die ebenfalls entfernt werden müssen, da sie zur Versauerung des Regens führen würden.

A3 Einige Stichworte zu möglichen Inhalten der Präsentation: Es gibt zahlreiche Typen von Solarzellen, z. B.: – monokristalline Silicium-Solarzelle – polykristalline Silicium-Solarzelle – amorphe Silicium-Solarzelle (Dünnschichtzelle) – Dünnschichtzellen aus anderen Halbleiternmaterialien, z. B. Galliumarsenid – Farbstoffzellen, z. B. die Grätzel-Zelle – organische Solarzelle (aus organischen Halbleitern)

Gemeinsamkeiten: – Solarzellen wandeln die Energie von Licht (und auch IR- und UV-Strahlung) in elektrische Energie um. – Alle Solarzellen-Typen enthalten Halbleiter. Photonen erzeugen (zum Teil indirekt) Elektronen-

Loch-Paare im Halbleitermaterial, d. h. eine Ladungstrennung und damit eine elektrische Spannung.

A4 – Sonnenkollektoren: Sonnenkollektoren erzeugen nur dann ausreichend Wärme, wenn die Sonne

scheint. Man muss darauf achten, dass die Kollektoren im richtigen Winkel zur Sonne stehen und nicht beschattet sind. Weiterhin muss die Oberfläche frei von Schmutz sein, damit die Strahlung ungehindert einwirken kann.

Zu den Aufgaben

Zu den Aufgaben



– Fotovoltaik: Für Solarzellen gilt zunächst dasselbe, was bereits zu Sonnenkollektoren gesagt wurde. Hinzu kommt bei Solarzellen, die auf Hausdächern angebracht sind, die Gefahr bei einem Brand des Hauses. Da die Anlage unter Spannung steht, besteht für die Feuerwehrleute die Gefahr eines elektrischen Schlags über das Löschwasser.

– Wasserkraft: Die größten Probleme bei der Gewinnung elektrischer Energie aus Wasserkraft hängen damit zusammen, dass unmittelbar in die Landschaft und das Fließverhalten des Flusses eingegriffen wird. Im Speziellen wird das Abflussverhalten verändert; die Wanderung der Fische und der Transport von Geschiebe werden behindert. Viele Fische und andere Wasserorganismen werden zudem von den Turbinen verletzt oder getötet. Außerdem kann die biologische Vielfalt durch den Eingriff in die Natur negativ beeinflusst werden.

– Windkraft: Probleme, die mit der Energiegewinnung aus Windkraft verbunden sind, hängen damit zusammen, dass Wind nicht überall und nicht immer konstant weht. Im Binnenland kann es zu starken Schwankungen der Windstärke kommen. Daher müssen z. B. die Rotoren immer wieder neu angestellt werden (was etwas Energie benötigt). Bei Windstille muss anderweitig für Energie gesorgt werden. Zudem werden manche Kraftwerke bei zu starkem Windaufkommen abgeschaltet. Windenergie wird häufig in Küstennähe oder auf dem offenen Meer gewonnen, sodass man zum Transport der Energie ins Landesinnere Hochspannungsleitungen benötigt. Diese Hochspannungs-leitungen stehen in der Diskussion, beträchtlichen Elektrosmog hervorzurufen. Als Belastungen für Anwohner sind die Schallentwicklung sowie der Schattenwurf der Anlagen zu nennen.

A5 Aus einem Speicherbecken strömt durch ein Rohr Wasser. Es trifft auf eine Turbine, die sich dreht und einen mit ihr gekoppelten Generator antreibt. Dieser erzeugt Strom, der über Umspanner in ein Leitungsnetz abgegeben wird.Hinweis: Die Lösung der Aufgabe entspricht der Beschreibung von [B6].

A6 Laufwasserkraftwerke nutzen das strömende Wasser eines Flusses. Dafür muss der Fluss ein genügendes Gefälle aufweisen und eine ausreichende Wassermenge führen. Im Gegensatz zu einem Speicherkraftwerk ist aber eine niedrigere Fallhöhe des Wassers ausreichend. Bei schwankenden Wasserhöhen ist ein Betrieb nicht immer möglich.

A7 Die (individuelle) Lösung sollte die folgenden Möglichkeiten enthalten: – Pumpspeicherwerke – Akkumulatoren – Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse

Eine weitere prinzipielle Möglichkeit sind Kondensatoren; diese können jedoch nur sehr kleine Energiemengen speichern.

A8 Mögliche Probleme bei der Stromerzeugung durch Windkraft in Offshore-Anlagen: – Verankerung der Windkraftanlagen – Verstärkte Korrosion an den Windkraftanlagen durch Salzwasser – Keine konstante Stromerzeugung – Mangelnde Speichermöglichkeit für den erzeugten Strom – Strom wird an weit von der Küste entfernten Standorten benötigt

A9 In Geothermiekraftwerken wird Wasser 3000 bis 5000 m tief in die Erde gepumpt. Dort er- wärmt es sich auf ca. 150 °C. Aus einem zweiten, etwa 100 m entfernten Bohrloch strömt es wieder nach oben und treibt Turbinen zur Stromerzeugung an.Häufiger wird die Geothermie allerdings zur Erwärmung von Wasser (Brauchwasser und Heizung) genutzt. Dafür benötigt man geringere Tiefen.

A10 – Die Verbrennung von Rapsöl ist Kohlenstoffdioxid-neutral. Es wird nur so viel Kohlenstoffdioxid

freigesetzt, wie die Pflanze vorher durch die Fotosynthese gebunden hat. Der Treibhauseffekt wird nicht verstärkt.

– Pflanzenöl ist ein Lebensmittel. Dass es bei uns als Treibstoff verwendet wird, während andernorts Menschen hungern, ist ethisch bedenklich. Die erhöhte Nachfrage nach Pflanzenöl hat die Preise für Speiseöl in manchen Ländern in die Höhe getrieben. Ernährungsexperten sprechen bereits von einer „Konkurrenz von Tank und Teller‘‘.

– Deutschland verbraucht pro Jahr über 50 Millionen Tonnen Diesel und Heizöl. Die landwirtschaft-lich nutzbaren Flächen im Inland genügen nicht, um eine entsprechende Menge an Pflanzenöl zu produzieren. Wenn man ganz auf Biodiesel umsteigen wollte, müsste also Pflanzenöl importiert werden. In vielen asiatischen Ländern hat man Ölpalmen angepflanzt, um Palmöl zu exportieren. Dafür wurde großflächig Regenwald abgeholzt.



– Auf stillgelegten Äckern könnte man Ölpflanzen anbauen. Andererseits können Brachflächen auch als Rückzugsräume für wild lebende Pflanzen- und Tierarten dienen und so zum Erhalt der Arten- vielfalt beitragen.

A11 Individuelle Lösung, z. B.: – Zentrale Stromversorgung: große, leistungsfähige Kraftwerke meist allerdings nur mit Kohle, Erdöl,

Erdgas oder Atomkraft; möglich auch: Windparks in der Nordsee; Ausgedehnte Stromtrassen – Überlandleitungen oder Erdkabel Stromversorgung lässt sich relativ einfach steuern

– Dezentrale Stromversorgung: kleine Kraftwerke mit Solarzellen, Windkraftanlagen, Blockheizkraft-werke z. B. mit Gas aus Biomasse Stromversorgung nur schwer zu steuern, da Ausfälle nur durch Kombination von Anlagen über-wunden werden können.

13.12 Speicherung von Kohlenstoffdioxid (S. 398)

A1 Durch CCS wird eine Technologie gefördert bzw. am Leben gehalten, die von Verfechtern alternativer Energieerzeugung als überlebt bezeichnet wird. Man argumentiert, dass die Energieproduktion auf Kohlenstoffbasis langfristig immer schädlich für das Klima sei. Strom aus Kohlekraftwerken ist zurzeit immer noch billig, auch wegen bereits bestehender Anlagen. Obwohl der Strom bei Anwendung von CCS teurer würde, wäre er immer noch kostengünstiger zu produzieren als mit alternativen Energietechnologien. Dadurch würden die Energiepreise so niedrig bleiben, dass sich der Ausbau und die kostenintensive Erforschung regenerativer Energieerzeugung nicht lohnen.

13.13 Zusammenfassung und Übung (S. 399 / 400)

A1 In Gebieten mit Kalkgestein reagiert das atmosphärische, im Regenwasser gelöste Kohlen-stoffdioxid mit Calciumcarbonat zu einer wässrigen Lösung von Calciumhydrogencarbonat:

CaC O 3 (s) + C O 2 (aq) + H 2 O (l) ⟶ C a 2 + (aq) + 2 HC O 3 – (aq)

Dort, wo der Untergrund aus Silikatgestein besteht, das Calciumsilicat enthält, reagiert die wässrige Kohlenstoffdioxid-Lösung mit Calciumsilicat zu Calciumhydrogencarbonat; zurückbleiben unlösliche Silicate. Flüsse transportieren das gelöste Calciumhydrogencarbonat zum größten Teil in die Meere. Auf dem Transportweg kann es – indem die untere Reaktionsgleichung zum Zuge kommt – zur Ab- scheidung von Calciumcarbonat (Kalktuff) kommen.

Im Meer wird Calciumcarbonat beim Aufbau von Skeletten und Schalen der Meeresorganismen abgeschieden und Kohlenstoffdioxid freigesetzt, das in die Atmosphäre zurückströmt. Mit abgestorbe-nen Organismen sinkt das eingebaute Calciumcarbonat auf den Meeresboden und wird sedimentiert. Zum Teil wird Calciumcarbonat auch ohne Beteiligung von Organismen abgeschieden.

Durch Verschiebungen in der Erdkruste können die gebildeten Carbonatsedimente in große Tiefen gelangen und bei hohen Temperaturen mit Silikatgestein reagieren, z. B. mit Siliciumdioxid:

CaC O 3 + Si O 2 ⟶ CaSi O 3 + C O 2

Das entstehende Kohlenstoffdioxid gelangt durch Vulkanismus wieder in die Atmosphäre.

A2 Fotosynthese und damit Entnahme von Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre erfolgt haupt- sächlich in den Blättern der Baumkronen. Damit ist in dieser Höhe die Kohlenstoffdioxid-Konzentration am geringsten, sie nimmt nach unten zu. Der Unterschied der beobachteten Konzentrationen von Kohlenstoffdioxid ist bei hochsommerlichen Temperaturen am deutlichsten. Die höchste Kohlenstoff-dioxid-Konzentration in Bodennähe beruht auf der intensiven Bodenatmung der Mikroorganismen in der Humusschicht des Bodens.(Hinweis: Zur Bestimmung der Kohlenstoffdioxid-Konzentration in der Luft nutzt man die Absorption von Kohlenstoffdioxid im infraroten Bereich. Im Messgerät wird Infrarotstrahlung erzeugt, die nach Durchgang durch die Luft auf einen Infrarotsensor trifft. Je schwächer das Signal, desto höher ist die Kohlenstoffdioxid-Konzentration.)

Zu der Aufgabe

Zu den Aufgaben



A3 Durch Aktivitäten des Menschen ist die Kohlenstoffdioxid-Bilanz der Atmosphäre nicht ausge- glichen. Der Anstieg der C O 2 -Konzentration wird verursacht durch – Verbrennung fossiler Energieträger, – Freisetzung von Kohlenstoffdioxid durch den Einsatz von Kalkgestein bei der Zementherstellung, – großflächige Brandrodung tropischer Urwälder.

Ein Teil der anthropogenen Emissionen wird von der Biosphäre und vom Meer aufgenommen. Diese Senken haben bisher einen wesentlich höheren Anstieg der Kohlenstoffdioxid-Konzentration in der Atmosphäre verhindert. Im Meer wirkt sich die Kohlenstoffdioxid-Aufnahme allerdings ungünstig aus, siehe [A4] und [A6].

A4 Der Anstieg der Kohlenstoffdioxid-Konzentration der Atmosphäre hatte auch eine Zunahme der Kohlenstoffdioxid-Konzentration im Oberflächenwasser der Meere zur Folge. Gegenüber der vorindustriellen Zeit hat der pH-Wert um durchschnittlich 0,11 Einheiten abgenommen, abgenommen, entsprechend der Reaktion:

C O 2 (aq) + H 2 O (l) ⟶ HC O 3 – (aq) + H 3 O + (aq)

Obwohl das Wasser der Meere mit einem durchschnittlichen pH-Wert von ca. 8,1 noch schwach alkalisch ist, bedeutet eine Zunahme der H 3 O + -Konzentration eine Versauerung. Vor allem, wenn man bedenkt, dass die Versauerung beschleunigt zunimmt und in manchen Bereichen deutlich über dem Durchschnittswert liegt, mit gefährlichen Folgen für das Ökosystem.

A5 An der Grenzfläche zwischen Meer und Atmosphäre wird Kohlenstoffdioxid gelöst oder abgegeben. Bei der Abkühlung warmer Meeresströmungen nimmt die Dichte des Wassers zu. Das kältere Wasser sinkt in die Tiefe. Das im Meerwasser gelöste Kohlenstoffdioxid wird so dem Aus-tausch entzogen und in der Tiefsee gespeichert.

A6 Bei einer Algenblüte werden durch die Fotosynthese große Mengen des im Meerwasser gelösten Kohlenstoffdioxid vom Phytoplankton aufgenommen. Dadurch wird das Gleichgewicht zwischen dem im Wasser gelösten und dem gasförmigen Kohlenstoffdioxid in der Luft gestört, sodass sich atmosphärisches Kohlenstoffdioxid im Meerwasser löst und den Verbrauch zum Teil ausgleicht. Weiteres Kohlenstoffdioxid wird auch durch eine Verschiebung des C O 2 / HC O 3 – -Gleich- gewichts nachgeliefert.

A7 Durch die Sonnenstrahlung erwärmt sich der Erdboden. Die vom Erdboden aufgenommene Energie wird in Form von Wärmestrahlung (hauptsächlich im Infrarotbereich) wieder abgegeben. Einige Spurengase (Luftbestandteile, die nur in Spuren vorhanden sind), z. B. Wasserdampf, Kohlen-stoffdioxid, Methan und Ozon, absorbieren einen Teil dieser Wärmestrahlung, bevor sie ans Weltall abgegeben werden kann. Dadurch erwärmt sich die Atmosphäre; sie gibt (durch Wärmestrahlung) die Energie verzögert an das Weltall wieder ab. Dieser Effekt führt unter natürlichen Bedingungen zu einer Temperaturerhöhung von 33 °C. Die mittlere Temperatur der Erde läge ohne den Treibhauseffekt bei – 18 °C.Durch menschliche (anthropogene) Aktivitäten erhöhen sich die Konzentrationen der Spurengase, z. B. die Konzentration von Kohlenstoffdioxid. Dies führt zu einer zusätzlichen Erwärmung der Atmo- sphäre.

A8 a) Kohlenstoffdioxid liegt mit einer Volumenkonzentration von etwa 0,04 % in der Atmosphäre vor.

Kohlenstoffdioxid-Moleküle absorbieren Strahlung hauptsächlich im Bereich von 13 bis 17 mm (13 000 bis 17 000 nm). Diese Absorptionsbande liegt im Bereich der Wärmestrahlung der Erde; ein Teil dieser Wärmestrahlung wird von Kohlenstoffdioxid-Molekülen absorbiert. Die Absorption führt zu einer stärkeren Bewegung der Moleküle, die durch Stöße ihre Energie auch an andere Moleküle der Atmosphäre (v. a. N 2 und O 2 ) abgeben, d. h., die Atmosphäre wird insgesamt erwärmt. Bei der Volumenkonzentration von 0,04 % wird nur ein Teil der Strahlung im Bereich von 13 bis 17 mm absorbiert; der Rest wird an das Weltall abgegeben. Wird die Volumenkonzentration von Kohlenstoffdioxid erhöht, wird mehr Strahlung absorbiert, und die Atmosphäre wird stärker er- wärmt. Insgesamt sollte eine Zunahme des Anteils an Kohlenstoffdioxid also zu einer Erhöhung der globalen Temperatur führen. Tatsächlich hat man eine Zunahme sowohl des Kohlenstoffdioxidanteils als auch der globalen Mitteltemperatur während der letzten 100 Jahre gemessen. Diese Beobachtung bestätigt die oben beschriebenen Überlegungen, sodass ein ursächlicher Zusammenhang zwischen dem Kohlenstoff-dioxidanteil der Atmosphäre und der globalen Mitteltemperatur sehr wahrscheinlich ist.

b) Zurzeit steigt die Volumenkonzentration des Kohlenstoffdioxids in der Atmosphäre mit einer Stei- gerungsrate von 2,0 ppm/a. Wenn diese Steigerungsrate nicht abgesenkt wird, ist es nach Auffas-sung vieler Wissenschaftler möglich, dass die globale Mitteltemperatur bereits 2050 um mindes-



tens 1 °C höher ist als im Jahr 2000. Eine Begrenzung der Temperaturerhöhung ist nach aktuellen Forschungsergebnissen nur möglich, indem man den Kohlenstoffdioxidausstoß reduziert. Ob das in einer sich zunehmend entwickelnden Welt möglich sein wird, ist die Frage. Nur durch internatio-nale Abkommen zur Begrenzung des Kohlenstoffdioxid-Ausstoßes und deren Einhaltung durch die Weltgemeinschaft dürfte dieses Ziel zu erreichen sein.

A9 Für Diesel: 8,0 l / 100 km · 2,62 kg/l · 1000 g/kg ≈ 210 g/km Für Benzin: 8,0 l / 100 km · 2,32 kg/l · 1000 g/kg ≈ 186 g/km Für Autogas: 8,0 l / 100 km · 1,9 kg/l · 1000 g/kg ≈ 152 g/km

A10 Individuelle Lösung. Einige Stichworte zur Präsentation: – Möglichst im Geschwindigkeitsbereich zwischen etwa 30 und 100 km / h fahren. – Beim Starten nicht Gas geben und sofort losfahren. – Frühzeitig hochschalten, mit niedriger Drehzahl fahren. – Nicht herunterschalten, wenn der Motor nicht „ruckelt“. – Vorausschauend fahren, d. h. nicht unnötig beschleunigen und dann wieder bremsen. – Beim Heranrollen an eine Ampel nicht den Gang herausnehmen, sondern mit dem Motor bremsen

(Die automatische Schubabschaltung sperrt die Kraftstoffzufuhr.)

A11 / A12 Kalkbrennen: CaCO3 ⟶ CaO + C O 2 Kalklöschen: CaO + H 2 O ⟶ Ca(OH ) 2 Abbinden: Ca(OH ) 2 + C O 2 ⟶ CaC O 3 + H 2 O

A13 a) Die Wasser-Moleküle bilden im Eis ein Kristall-Gitter mit Hohlräumen. In diese passen die Methan-

Moleküle.b) Methanhydrat ist nur unter ganz bestimmten Bedingungen von Druck und Temperatur stabil.

Ändern sich diese, zerfällt es rasch in Methan und Wasser (bzw. Eis). Da Methanhydrat im Meer hauptsächlich an den Kontinentalhängen, wo relativ flache Schelfmeere in die Tiefsee übergehen, in einigen hundert Metern Wassertiefe vorkommt, könnte durch die klimabedingte Erwärmung des Meerwassers in großem Ausmaß Methan freigesetzt werden. Dies hätte gefährliche Folgen für das Klima. Methan hat als Treibhausgas eine etwa wesentlich größere Wirkung als Kohlenstoff-dioxid (vgl. Lösung zu Kap. 13.8, [A3]). An den Kontinentalhängen durchsetzt Methanhydrat die Sedimente einige hundert Meter tief. Durch Methanhydrat stabilisierte Hänge kommen beim Zerfall des Methanhydrats ins Rutschen. Dazu bedarf es nicht einmal der globalen Erwärmung. Schon die Verlagerung einer Meeresströmung kann örtlich erhebliche Auswirkungen haben. Zunehmend hegen Forscher auch den Verdacht, dass Methanhydrat im Spiel ist, wenn nach starken Seebeben Hänge abrutschen. Große untermeerische Rutschungen können Tsunamis auslösen. Wird bei einem Beben der Meeresboden angehoben, verringert sich der Druck des darüber stehen- den Wassers und das ganze Paket wird womöglich in wärmeres Wasser gehievt – mit der Folge einer raschen Zersetzung des Methanhydrats und Abgabe des Methans an die Atmosphäre.


Documents

13 Kohlenstoff-Atom-Kreislauf · 13 Kohlenstoff-Atom-Kreislauf Elemente Chemie 8 – 10 Baden-Württemberg 217 Kreislauf des Kohlenstoff-Atoms und Klima (S. 374/375) A1 a) Pflanzen