Wissenschaftliche Hausarbeit im Rahmen der Ersten Staatsprfung

fr das Lehramt an Gymnasien im Fach Chemie,

eingereicht dem Amt fr Lehrerbildung Prfungsstelle Marburg.

Thema:

Das Thema LUFT im

Chemieunterricht

Verfasserin: Christina Maria Erbar, Manuelstrae 9,

56218 Mlheim-Krlich

Gutachter: Prof. Dr. B. Neumller

Hinweis

Bei dieser Datei handelt es sich um eine Wissenschaftliche Hausarbeit, die imBereich Lehramt am Fachbereich Chemie der Uni Marburg verfasst wurde.Weitere Hausarbeiten knnen auf der Seite www.chids.de unterhttp://www.chids.de/veranstaltungen/wiss_hausarbeit.htmleingesehen und heruntergeladen werden.Zudem stehen auf der Seite www.chids.de weitere Versuche, Lernzirkel undExperimentalvortrge bereit.

Dr. Ph. Rei, im Januar 2007

Inhaltsverzeichnis Seite

1. Einleitung und Zielsetzung 1

2. Das Thema Luft und Luftbestandteile im 4

hessischen Lehrplan Chemie

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

der Erdatmosphre

3.2 Die Zusammensetzung der Luft 12

3.3 Der Aufbau der Atmosphre 13

3.4 Technische Gewinnung der Hauptinhaltsstoffe 15

4. Der molekulare Stickstoff Verdorbene Luft 19 4.1 Woher kommt der Name Distickstoff? 19

4.2 Physikalische Eigenschaften 19

4.3 Chemische Eigenschaften 22

4.4 Ein Gas geht um die Welt Der Distickstoffkreislauf 27

4.4.1 Fixierung des molekularen Luftstickstoffs 27

a) Atmosphrische Fixierung 27

b) Biologische Fixierung 29

c) Technische Fixierung 30

4.4.2 Freisetzung von molekularem Stickstoff 31

5. Luft zum Atmen Der molekulare Sauerstoff 33 5.1 Feuerluft Lebensluft Oxygen 33

5.2 Physikalische Eigenschaften 36

5.3 Chemische Eigenschaften 37

5.4 Atmung und Photosynthese Ein Disauerstoffkreislauf 41

EXKURS: Was passiert in unserer Lunge 43

6. Edler Duft liegt in der Luft Die Edelgase 47 6.1 Das Argon Mehr drin als man denkt! 48

6.2 Das Helium Ein leichtes Gas zum Fliegen! 49

EXKURS: Die Luftschiffe von heute: Heiluftballons 50

6.3 Leuchtstoffrhren 52

7. Das Kohlenstoffdioxid 53 7.1 Natrliche Entstehung und Technische Gewinnung von 53

gasfrmigem CO2

7.2 Chemische und physikalische Eigenschaften 54

7.3 Der natrliche Treibhauseffekt 56

7.4 Ferien am Lake Nyos Besser nicht! 61

8. Natrliches Ozon Schutzschicht der Erde und Lebewesen 64 8.1 Eigenschaften 64

8.2 Darstellungsarten 66

8.2.1 Chemische Darstellung 67

8.2.2 Photochemische Darstellung 68

8.2.3 Elektrische Darstellung 68

a) Siemensscher Ozonisator 68

b) Elektrolyse 69

8.3 Ozon Ein starkes Oxidationsmittel 70

8.4 Was passiert in der Stratosphre? 70

8.5 Technische Verwendung von Ozon 72

9. Spuren von Gasen 74

10. Wasser in der Luft 77 10.1 Ein kurzer Steckbrief von Wasser 78

10.2 Der Wasserkreislauf 78

10.3 Warum trocknet unsere Wsche Das Verdampfen 80

EXKURS: Drei-Minuten-Ei oder Fnf-Minuten-Ei? 83

10.4 Die Luftfeuchtigkeit 85

10.5 Die Kondensation von Wasser: Niederschlge 87

11. Der Luftdruck und verschiedene Gasgesetze 90 11.1 Der Luftdruck Ein Exkurs in die Physik der Mittelstufe 90

11.2 Das Guericke Experiment und wie messe ich den Luftdruck 92

11.3 Der Druck in geschlossenen Gefen 95

11.4 Reaktionen von Gasen 98

12. Schadstoffbelastung der Luft 100 12.1 Was ist Smog? 100

12.1 Oben hui unten pfui Bodennahes Ozon und das Ozonloch 102

12.2 Regnet es wirklich Sure? 106

12.3 Der anthropogene Treibhauseffekt 107

13. Versuchsprotokolle und Arbeitsbltter 109

Arbeitsblatt 1: Die Entstehung der heutigen Atmosphre 110

Versuch 1: Die Hauptbestandteile der Luft 112

1.1 Eine Kerze er Stick(stoff)t!

1.2 Wie viel Luft bleibt brig?

Arbeitsblatt 2: Hausaufgabenversuche zur Zusammensetzung der Luft 114

Versuch 2: Dichte und molare Masse von Gasen schnell 115

und unkompliziert

Arbeitsblatt 3: Ein Modell fr ein Modell 116

Versuch 3: Aus der Luft in den Boden Blitze fixieren N2 117

Versuch 4: Disauerstoff aus Kupfer(II)-oxid 118

4.1 Darstellung von molekularem Sauerstoff

4.2 Die Glimmspanprobe

Versuch 5: Eine sehr kalte, hellblaue Flssigkeit 120

5.1 Darstellung von flssigem, molekularem 3O2

5.2 Sinkende blaue Blasen

5.3 Achtung: Explosiv!

5.4 Zum Paramagnetismus des 3O2

Versuch 6: Vergleich von Helium und molekularem Wasserstoff 124

6.1 Aufstieg in schwindelerregende Hhen

6.2 Backdraft!

Demonstration 1: Der fliegende Teebeutel 126

Versuch 7: Gute Luft schlechte Luft 127

7.1 Qualitativer CO2 Nachweis

7.2 Quantitativer CO2 Nachweis

Versuch 8: Modellversuch zum Unglck am Lake Nyos 130

Arbeitsblatt 4: Zusammenhang zwischen der Temperatur eines Planeten 133

und der Zusammensetzung seiner Atmosphre

Demonstration 2: Der natrliche Treibhauseffekt 134

Versuch 9: Entzndung von Ethanol durch Ozon 136

Versuch 10: Ozon Lebenswichtiger Schutzschild 138

10.1 Elektrolyse Gase aus einer Flssigkeit

10.2 Reaktionen mit Ozon

10.2.1 Geschwrzte Kartoffeln

10.2.2 Eine Farbtonleiter

10.2.3 Raus mit dem Eisen!

10.2.4 Abbau von Ozon durch CFKWs

Arbeitsblatt 5: Woher kommt der spezielle Geruch auf 143

der Sonnenbank und am Kopierer?

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

Versuch 12: Luftfeuchtigkeit 145

12.1 Wie viel Wasserdampf ist in der Luft?

12.2 Wie viel Wasserdampf kann die Luft aufnehmen?

Arbeitsblatt 6: Der Wasserkreislauf Mit Hazweioh auf Reisen 148

Versuch 13: Der Druck der Luft 150

13.1 Ein starkes Blatt Papier

13.2 Mini (Dick-)mann ganz gro!

13.3 Eine Hand zum Greifen

Demonstration 3: Die Smog-Wetterlage 152

Versuch 14: Warm oder kalt Schadstoffe im Temperaturverlauf 153

Domino-Spiel zum Thema Luft 154

Tabelle der Richtlinien und Sicherheitsstze der verwendeten Chemikalien 156

14. Literaturangaben 160 14.1 Literaturverzeichnis 160

14.2 Abbildungs- und Tabellenverzeichnis 167

Versicherung zur selbstndigen Anfertigung der Arbeit

1. Einleitung und Zielsetzung

1. Einleitung und Zielsetzung

Das Thema Luft wird laut Lehrplan direkt oder indirekt in fast allen Jahrgangsstufen

behandelt (vgl. Kap. 2). Deshalb ist aber die Frage nach dem Bildungsgehalt im

Bildungsinhalt (Klafki) [1] noch nicht geklrt, heit Warum wird der Lerninhalt

berhaupt vermittelt, ist er fr die Schler wichtig?

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

beschftigt.

Dass das Thema Luft fr die Schler bedeutsam ist, sieht man an einigen Punkten in

der vorliegenden Arbeit sehr deutlich: die Luftfeuchtigkeit bestimmt das aktuelle

Wettergeschehen, wie die Bildung von Regen, Schnee und Hagel, mit dem die Schler

tglich konfrontiert sind, (Regenjacke oder kurze Hose?!?). Weiterhin wird in Kapitel

12 Die Schadstoffbelastung unserer Luft sichtbar, dass auch die Luftverschmutzung

eine starke Gegenwartsbedeutung fr die Schler hat, wie die Diskussion um die

Ozonbelastung im Sommer 2006 zeigt.

Die Bedeutung fr die Zukunft der Schler ist dadurch gegeben, da die Sptfolgen

heute noch nicht abzusehen sind. Sie lernen daran das Prinzip, nicht immer alles Neue

auszuprobieren, ohne zu wissen, was es fr Folgen haben kann.

Ein weiteres Beispiel, das verdeutlicht, wie nah die Inhalte der vorliegenden Arbeit an

der Lebenswelt der Schler sind, ist ein Exkurs, der den chemischen Ablauf in der

menschlichen Lunge bei der Atmung thematisiert.

Die im obigen Abschnitt kurz skizzierten, ausgewhlten Beispiele zeigen, dass die

Auswahl des Themas Luft durch seinen Allgemeinbildungsgehalt gerechtfertigt ist.

Das erste Ziel der Arbeit ist somit die didaktische Begrndung der ausge-

arbeiteten Themen. Diese ist schon durch die Auswahl der Themen gegeben.

Um dies in der Schule umzusetzen, werden im Laufe der Arbeit verschiedene

Methoden vorgeschlagen, von denen im Folgenden einige beispielhaft aufgefhrt sind.

Ein historisch orientierter Unterricht ist an manchen Stellen der Arbeit

erstrebenswert. Dadurch, dass die Schler dieselben Gedankengnge vollziehen wie

z.B. Carl Scheele, der den molekularen Stickstoff und den molekularen Sauerstoff

entdeckt hat, haben sie den Lerninhalt selbst gefunden und mssen ihn nicht im

klassischen Sinne lernen.

1

1. Einleitung und Zielsetzung

Einige Themen, z.B. der Kreislauf, den der molekulare Stickstoff in der Atmosphre

durchluft, sind sehr komplex und wrden im Unterricht zu viel Zeit beanspruchen, um

sie vollstndig zu erarbeiten. Deshalb kann hier, und an einigen anderen Stellen, der

Unterrichtsstoff in Form von Schlerreferaten vorgetragen werden.

Die der Literatur entnommenen Versuche wurden mglichst so ausgewhlt oder ver-

ndert, dass sie von Schlern durchgefhrt werden knnen. Sie sind dem Wissens-

stand der verschiedenen Jahrgangsstufen angepasst. Dadurch wird die Aktivitt der

Schler gefordert und gefrdert, weshalb meistens die Lerninhalte besser behalten

werden (Pestalozzi: Lernen mit Kopf, Herz und Hand).

Weiterhin knnen einige Versuche in Form von Hausaufgabenversuchen durch-

gefhrt werden. Dadurch knnen die Schler in einer ihnen vertrauten Umgebung

arbeiten und so eventuell einen eigenen Zugang zur Chemie finden.

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

direkt zu greifen, wurden einige realittsnahe Modelle erdacht: Die Zusammen-

setzung der Luft wird beispielsweise durch Legosteine veranschaulicht, da die Form

eines dreidimensionalen Modells die Realitt wesentlich strker verdeutlicht, als eine

zweidimensionale Graphik.

Zwei weitere Modelle werden aus einfachen Alltagsgegenstnden, wie z. B. Bro-

klammern, Holzkugeln und Gummibndern, hergestellt. Diese sind weder teuer, noch

aufwndig herzustellen und deshalb sehr gut fr den Schulalltag geeignet.

Das erste Modell aus Broklammern soll den Schlern die Dreifachbindung im

molekularen Stickstoff nher bringen. Da sie es sich selbst ausdenken mssen, immer

wieder probieren und berlegen, verwerfen, neu ersinnen usw. bleibt die Genese und

das Modell als solches wesentlich besser in den Kpfen der Schler haften.

Das zweite Modell besteht aus drei Holzkugeln, die ber Gummi-Bnder miteinander

verbunden sind. Es stellt das Kohlenstoffdioxidmolekl dar. Hieran werden, durch

einfaches Ausprobieren, die drei verschiedenen Schwingungstypen anschaulich ver-

deutlicht.

Insgesamt strken die Modelle die Vorstellungswelt der Schler und sollen, ebenso wie

erstellte Arbeitsbltter, den Unterricht abwechslungsreicher gestalten und die von den

Schlern als kompliziert empfundenen Inhalte anschaulicher machen.

2

1. Einleitung und Zielsetzung

3

Es wurden sowohl ltere als auch aktuelle Schulbcher verwendet, da sie verschieden

Anregungen, z.B. einen Steckbrief ber ein Element zu erstellen, und unvernderliche

Prinzipien der Chemie beinhalten, die der Schler darin nachlesen kann.

Das entwickelte Domino-Spiel, welches am Ende einer Unterrichtseinheit dazu dienen

kann, die gelernten Inhalte zu wiederholen, ist eine andere Art der Zusammenfassung

eines Themas.

Auch Artikel aus populrwissenschaftliche Zeitschriften wie dem National Geo-

graphic, werden verwendet, da deren Inhalte in Alltagssprache beschrieben sind. Sie

bieten den Schlern eine andere Mglichkeit des Zugangs zur Chemie und knnen

Interesse wecken.

Die methodische Umsetzung der ausgearbeiteten Themen ist somit das zweite Ziel,

welches in der vorliegenden Arbeit umgesetzt werden soll.

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

Deshalb werden auch nicht-chemische Themen, z.B. der physikalische Aspekt des

Luftdrucks und die Strahlungsbilanz des Systems Erde/Atmosphre, die normalerweise

im Fach Geographie bearbeitet wird, thematisiert. Um diese mglichst schulnah

darzustellen, wurden Schulbcher der Fcher Physik und Geographie konsultiert.

Auch das Thema Ozon, seine Darstellung, Verwendung und Eigenschaften steht nicht

im Lehrplan Chemie (G9). Da es aber alltagsrelevant fr die Schler ist, wie die

Diskussion im Sommer 2006 zeigt, wird es im Rahmen dieser Arbeit erlutert.

Alle drei so formulierten Ziele entsprechen denen, die in der Schule vor jeder

Unterrichtseinheit berdacht werden mssen. Deshalb wurden sie mglichst in jedem

Kapitel der vorliegenden Arbeit umgesetzt.

2. Das Thema Luft und Luftbestandteile im hessischen Lehrplan Chemie

2. Das Thema Luft und Luftbestandteile im hessischen Lehrplan

Chemie [2]

In diesem Kapitel wird eine Gesamtbersicht darber gegeben, wo das Thema Luft im

Lehrplan Chemie (Gymnasialer Bildungsgang, Jahrgangsstufe 8 bis 13 (G9)), Teil B:

Unterrichtspraktischer Teil als eigenstndiges Thema formuliert und wo die

verschiedenen Luftbestandteile in unterschiedlichen Unterrichtseinheiten direkt und

indirekt auftauchen und verwendet werden knnen. Im weiteren Verlauf der Arbeit wird

in den verschiedenen Kapiteln an passender Stelle darauf verwiesen, wo der gerade

besprochene Lerninhalt im Lehrplan steht.

Hierbei zeigt die Laufende Nummer (Lfd. Nr.) in der ersten Ziffer immer die Jahrgangs-

stufe, in der zweiten die Grokapitel an. So ist z. B. die Lfd. Nr. 8.2 das zweite groe

Kapitel der Jahrgangsstufe 8.

Diese Grokapitel unterteilen sich in verbindliche Unterrichtsinhalte/Aufgaben, die

wiederum in Unterkapitel unterteilt sind. Hier orientiert sich die erste Ziffer am

Grokapitel, die zweite an der Reihenfolge der Unterkapitel. Somit ist z.B. 8.1.2 die

Lfd. Nr. 8.1 und das Unterkapitel 1.2. In diesen Unterkapiteln werden die konkreten

Lerninhalte aufgelistet. Sie werden durch Stichworte in einer nebenstehenden Spalte

aufgeschlsselt und konkretisiert. Zuletzt beinhaltet der Lehrplan fakultative

Unterrichtsinhalte/Aufgaben. Diese stehen im Verlauf des Lehrplans nach den

verbindlichen Unterrichtsinhalten erhalten, da sie als Ergnzung dienen, dieselbe

Nummer. Am Ende jeder Lfd. Nr. werden Querverweise auf die Lehrplne anderer

Fcher sowie der Hinweis zur Bercksichtigung von Aufgabengebieten gegeben.

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

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

Hier soll unter 2.1 Einfhrung in die Chemische Reaktion die quantitative

Zusammensetzung der Luft besprochen werden.

Dazu gehren das experimentelle Erarbeiten des Sauerstoffanteils der Luft, die

natrlichen Luftbestandteile, Eigenschaften von (molekularem) Sauerstoff und

Stickstoff, Spurengase und die Gefhrdung der Umwelt durch Nichtmetalloxide in

der Atmosphre. Fakultativ knnen hier historische Aspekte (Lavoisier, Scheele),

Sauerstoff und Oxidation sowie der Kreislauf des Sauerstoffes und die

Luftverflssigung besprochen werden.

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2. Das Thema Luft und Luftbestandteile im hessischen Lehrplan Chemie

Ebenfalls sind experimentelle Hausaufgaben und ein Projektunterricht zum Thema

Luft an dieser Stelle im Unterricht laut Lehrplan denkbar und erwnscht.

Weiterhin sollen die Aufgabengebiete kologische Bildung und Umwelterziehung:

Luftschadstoffe durch Nutzung fossiler Brennstoffe und Mglichkeiten ihrer

Verminderung/Wirkung auf Mensch und Umwelt; kritische Betrachtung des

Treibhauseffektes bercksichtigt werden.

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

in Lfd. Nr. 8.1 Stoffe Strukturen Eigenschaften, indem man unter 1.2 Stoffe und

ihre Eigenschaften und 1.3 Teilchenmodell der Materie die Dichte der Stoffe und im

fakultativen Lerninhalt 1.2 auch die Dichte von Gasen bespricht.

Hier kann man z.B. Wasserstoff und Helium miteinander vergleichen und mit Hilfe der

Gasmolwaage schon die Dichte von Distickstoff und Disauerstoff bestimmen, bevor ihr

genauer Anteil in der Atmosphre geklrt wird.

Die Luftfeuchtigkeit, also das Vorhandensein von Wasser in allen Aggregatzustnden

in der Luft, kann unter 2.2 Wasser und Wasserstoff der Lfd. Nr. 8.2 Die chemische

Reaktion Stoffumsatz und Energieumsatz behandelt werden.

In der Lfd. Nr. 9.1 Einfhrung in die chemische Symbolsprache und ihre Anwendung

wird in 1.1 Bausteine der Materie das Gesetz der konstanten Massenverhltnisse

erklrt, das anhand der Zerlegung von Oxiden, also z.B. die Darstellung von

Disauerstoff aus Kupferoxid, erarbeitet werden kann.

Bei der Einfhrung der Chemischen Symbole und ihre Bedeutung, ebenfalls unter 1.1,

werden die Elementsymbole und molaren Massen besprochen. Es folgt unter 1.2

Chemische Formeln und Reaktionsgleichungen das Verhalten von Gasen und somit

u. a. die These von Avogadro, das molare Volumen, die molare Masse von Gasen

und schlielich die Zweiatomigkeit gasfrmiger Elementmolekle.

Im fakultativen Lerninhalt 1.2 knnen die Volumenverhltnisse bei Gasreaktionen

(Gesetz von Gay-Lussac) besprochen werden.

Auf die bisher gewonnenen Kenntnisse, z.B. die Zweiatomigkeit, kann man dann in der

Jahrgangsstufe 10 Lfd. Nr 10.2 Elektronenpaarbindungen/Atombindung zum Thema

2.2 Lewis-Formeln zurckgreifen und u. a. die Dreifachbindung des Distickstoffs und

weitere Strukturen der bisher bekannten Luftbestandteile erklren.

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2. Das Thema Luft und Luftbestandteile im hessischen Lehrplan Chemie

Ebenfalls kann im Zusammenhang der Struktur-Eigenschafts-Beziehung die

Anomalie des Wassers besprochen werden.

In Lfd. Nr. 10.3 Suren, Laugen, Salze und Protolysereaktionen werden unter 3.2

Herstellung und Eigenschaften von Suren, also u. a. das Thema Emissionen von

Stickstoffoxiden (saure Niederschlge) und unter 3.4 Anwendung der Sure-Base-

Theorie nach Broensted, also Nitrate und Dngemittel behandelt. Unter Berck-

sichtigung von Aufgabengebieten sind in dieser Jahrgangsstufe Stoffkreislufe

aufgefhrt.

In der Jahrgangsstufe 11, Lfd. Nr. 11.1 Redoxreaktionen, unter 1.2 Ausgewhlte

Redoxreaktionen kann z.B. die Darstellung von Ozon durch Elektrolyse von

Schwefelsure besprochen werden.

Die Umweltprobleme, die durch Chlor-Fluor-Kohlenwasserstoffe entstehen, werden

unter Lfd. Nr. 11.2 Einfhrung in die Kohlenstoffchemie, 2.3 Halogenkohlen-

wasserstoffe besprochen.

In der Jahrgangsstufe 13, sowohl im Leistungskurs (LK) als auch im Grundkurs (GK),

werden die Luftbestandteile indirekt z.B. bei der Fixierung von Stickstoff bei der

Ammoniaksynthese in Lfd. Nr. 13.1 Das chemische Gleichgewicht, Kapitel 3 (GK)

bzw. Kapitel 5 (LK) Prinzip vom Zwang, welches in den Lehrbchern als Prinzip

vom kleinsten Zwang bzw. Flucht vor dem Zwang beschrieben wird, erwhnt. Bei der

Bercksichtigung von Aufgabengebieten werden explizit die kologische Bildung

und Umwelterziehung: Saurer Regen, Waldsterben (LK) und im GK zustzlich die

Untersuchung von Boden, Luft und Wasser beschrieben.

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

Wahlthema Angewandte Chemie wird sowohl im LK als auch im GK das Thema Luft

konkret aufgegriffen. Hierbei werden die Chemische Untersuchung von Luft,

Manahmen zur Reinhaltung von Luft, Nachweisgrenzen/Grenzwerte: Festlegung,

Einhaltung, berwachung, z.B. von Ozon, neben Boden- und Wasseruntersuchungen

durchgefhrt.

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2. Das Thema Luft und Luftbestandteile im hessischen Lehrplan Chemie

7

Das im Rahmen dieser Arbeit behandelte Kapitel zum Thema Luftdruck findet man

nicht im Lehrplan Chemie, sondern im Lehrplan (G9) fr das Fach Physik. [3] In der

Klassenstufe 8 stehen im Lehrplan drei fakultative Themen, 8.3 a) Von Druck und

Auftrieb, 8.3 b) Akustik und 8.3 c) Farben, zur Auswahl..

Verbindliche Unterrichtsinhalte in 8.3 a) Von Druck und Auftrieb sind Erfahrungen

mit Druck und darunter Schweredruck, Druck von Flssigkeiten und Gasen sowie

Luftdruck. Weiterhin sollen Drucknderung und Wrme besprochen werden. Das

dritte Unterkapitel zum Thema Von Druck und Auftrieb ist der Auftrieb in Wasser

und Luft. Hierbei werden das Archimedische Gesetz und die Funktionsweise von

Ballons diskutiert [3].

3. Unsere Luft Ein lebensnotwendiges Gasgemisch

3. Unsere Luft Ein lebensnotwendiges Gasgemisch

Luft ist berall. Wir sind von ihr umgeben und baden in ihr [4]. Fr uns ist es

selbstverstndlich, dass sie da ist, denn ohne Luft knnen wir Menschen nicht atmen,

nicht berleben.

Aber war sie denn schon immer da? Oder hat sie sich im Laufe der Entstehung der

Erde verndert? Ein Zitat aus Hoimar von Ditfurths bekanntem Buch Am Anfang war

der Wasserstoff gibt ber diese Frage Aufschluss:

[] wurde vor einigen Jahren die gnzlich

unerwartete Tatsache entdeckt, dass die

heutige Atmosphre unserer Erde gar nicht

die ursprngliche ist. [5]

Abb. 2: Hoimar von Ditfurth

Wie diese Entwicklung abgelaufen ist, klrt das folgende Kapitel.

3.1 Aus lebensfeindlich wird lebensfreundlich Die Evolution der Erd-

atmosphre

Die Evolution der Erdatmosphre ist eng an die Entstehung des Lebens geknpft.

Hierzu gibt es drei wissenschaftlich fundierte Theorien.

Eine davon ist die von William Martin und Michael Russel vertretene Theorie, dass

das Leben an den sogenannten Schwarzen Rauchern entstanden ist. Diese Tiefsee-

Vulkane, die erst 1977 vor den Ksten der Galapagos Inseln entdeckt wurden, speien

heies Magma aus, weshalb es um sie herum bis zu 300 C hei ist [6].

Sie liefert gengend Energie, um die Polymerisation von Biomoleklen einzuleiten

[7]. An den Schwarzen Rauchern leben noch heute riesige Rhrenwrmer, die weder

Magen noch Darm besitzen und sich eigentlich im klassischen Sinne nicht

ernhren knnten. Ihr Inneres ist von Bakterien besiedelt, die das schwefelhaltige

Wasser in Nhrstoffe umwandeln und diese an die Wrmer weitergeben.

8

3. Unsere Luft Ein lebensnotwendiges Gasgemisch

Im Gegenzug dazu helfen die Wrmer den Bakterien, durch Stoffwechselreaktionen

die Schwefelverbindungen umzusetzen [6]. Dies spricht dafr, dass sich hier das

Leben entwickelt haben knnte.

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

Da in einigen Meteoriten organische Molekle, u. a. Aminosuren, nachgewiesen

werden konnten, ist es denkbar, dass diese zunchst dort entstanden und in der Zeit,

als noch viele Meteoriteneinschlge auf der Erde erfolgten, hier gelandet sind [7].

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

Die dritte Theorie besagt, dass das Leben aus der Ursuppe entstanden ist. Hierzu

wurde in den 1950er Jahren von Miller und Urey ein Experiment durchgefhrt, das

zeigte, dass durch Zufuhr von Energie aus Blitzen aus anorganischen Moleklen wie

Ammoniak, Methan, Wasser und Diwasserstoff organische Molekle wie z.B.

Aminosuren und niedere Carbon- und Fettsuren gebildet werden knnen.

Um die dritte Theorie genauer zu erklren, wird zunchst die Evolution der

Atmosphre besprochen.

Vereinfacht kann man sich diesen Prozess so vorstellen: Man beginnt bei der Ur-

Atmosphre, die auch Methanatmosphre genannt wird und hauptschlich aus

Methan, Diwasserstoff, Ammoniak und Wasserdampf [8] besteht. Da die

Temperaturen der Erdoberflche nach deren Entstehung mehr als 100 C betragen,

gleicht das System Erde/Atmosphre dem inneren eines Teekessels [7].

Der hohe Wasserdampfgehalt in der Atmosphre sorgt dafr, dass kein Sonnenlicht

auf die Planetenoberflche dringen kann. Ein wenig Helligkeit liefern Blitze der un-

unterbrochenen Gewitter, der entstehende Regen kommt aber nie auf dem Boden an,

da er auf Grund der hohen Temperaturen direkt wieder verdampft.

Ein Astronaut, der jemals auf einen solchen Planeten stiee, auf dem solche

Bedingungen herrschen, wrde wohlweislich einen groen Bogen machen. [5]

Die Erde beginnt auszukhlen, die Kruste wird fest und es bilden sich riesige

Vulkane, die immer wieder die in der Kruste gebundenen leichtflchtigen

Bestandteile bei ihren Ausbrchen zu Tage frdern [7].

9

3. Unsere Luft Ein lebensnotwendiges Gasgemisch

Die Erde khlt weiter ab, so dass der Regen den Boden erreichen kann ohne sofort

wieder zu verdampfen und dort riesige Ur-Ozeane bildet [7].

Durch Blitze und Strahlenttigkeit werden Methan, Ammoniak und Wasser zu

Kohlenstoffdioxid, Distickstoff und Diwasserstoff umgesetzt. Der spezifisch

leichtere, molekulare Wasserstoff geht durch Diffusion in den Weltraum verloren [8].

CH4 (g) + 2 NH3(g) + 2 H2O(g) + h CO2(g) + N2(g) + 7 H2(g)

Kohlenstoffdioxid wird im Wasser gelst und bildet mit Magnesium- bzw.

Calciumkationen die entsprechenden Carbonate [7].

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

So entsteht die zweite Atmosphre unseres Planeten. Sie besteht hauptschlich aus

Stickstoffmoleklen und wird deshalb Stickstoffatmosphre genannt.

In ihr enthalten sind immer noch Spuren von Diwasserstoff, Wasserdampf, gas-

frmigem Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid [8].

Da bis zu diesem Zeitpunkt noch kein Disauerstoff vorhanden ist und das Leben in

der Form, wie wir es kennen ohne ihn nicht existieren kann, muss als nchstes

geklrt werden, woher dieser stammt.

Sehr stark vereinfacht stellt man sich dies wie folgt vor:

Der erste freie Disauerstoff stammt aus dem Wasser. Er entsteht durch Photo-

dissoziation, der Zerlegung des Wassers durch UV-Licht.

UV-Licht

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

Gleichzeitig dringt diese Strahlung, die Energiequelle zum Aufbau erster organischer

Lebensbausteine, in die obersten Schichten der Ur-Ozeane ein und bildet dort grere

Molekle. Sind sie gebildet, wrden sie von der aggressiven UV-Strahlung sofort

wieder zerstrt, wre nicht der Disauerstoff vorhanden, der die Strahlung abfngt [5].

10

3. Unsere Luft Ein lebensnotwendiges Gasgemisch

UV-Strahlung

- Gromolekle entstehen

- 2 H2O + h 2 H2(g) + 3O2(g) 3O2 fngt UV-Strahlung ab,

weder neue Gromolekle noch

Disauerstoff entstehen

Mehr 3O2, immer weniger UV-Strahlen dringen durch

3O2 wird abgebaut

Abb. 3: Kreislauf des entstehenden Lebens [5]

Dieser Kreislauf wiederholt sich so lange, bis sich aus den Gromoleklen in den

Tiefen des Meeres, in die keine UV-Strahlung eindringt, primitive Einzeller gebildet

haben. Nach und nach entwickelt sich die Photosynthese und es entsteht mehr

Disauerstoff. Dieser wird zunchst bei der Bildung von Eisen(III)-oxid aus Eisen(II)-

kationen gebunden.

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

Danach steigt der Gehalt an Sauerstoffmoleklen stetig an und dadurch, dass sie die

UV-Strahlung absorbieren, kann sich schlielich das Leben an Land entwickeln [8].

Diese dritte, noch heute bestehende Atmosphre wird als Sauerstoffatmosphre

bezeichnet.

Der heutige Disauerstoff, der sich in der Atmosphre befindet, entsteht durch die

Photosynthese der Pflanzen. Dies wird in Kapitel 5.4 Atmung und Photosynthese

Ein Disauerstoffkreislauf genauer erklrt.

11

3. Unsere Luft Ein lebensnotwendiges Gasgemisch

Diese Theorie kann man den Schlern in vereinfachter Form zum Beispiel im

Leistungskurs als Einfhrung in das Wahlthema Umweltchemie/Umweltanalytik in

der Jahrgangsstufe 13 verdeutlichen.

Hierzu gibt es z.B. einen Exkurs [9], den man als Arbeitsblatt verwenden kann. Die

Schler knnen die ntigen Eigenschaften und Reaktionen selbst erarbeiten (vgl.

Arbeitsblatt 1 Die Entstehung der heutigen Atmosphre).

Im nachfolgenden Kapitel wird die genaue Zusammensetzung der heutigen

Atmosphre besprochen.

3.2 Die Zusammensetzung der Luft

Unsere Luft ist ein Gasgemisch. In Tabelle 1 sind die wichtigsten, natrlichen

Bestandteile der Luft, die im Rahmen dieser Arbeit besprochen werden, verndert

nach [8] aufgelistet.

Art Volumenprozent

molekularer Stickstoff, N2 78,085

molekularer Sauerstoff, O2 20,948

Argon, Ar 0,934

Kohlenstoffdioxid, CO2 ~ 0,03

Ozon, O3 variabel

Wasser variabel

Helium, He 5,2410-4

molekularer Wasserstoff, H2 ~ 510-5

Distickstoffmonoxid, N2O ~ 310-5

Stickoxide: NO, NO2 ~ 110-7

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

Die ersten fnf Bestandteile werden im Rahmen dieser Arbeit jeweils in einzelnen

Kapiteln genauer besprochen. Weitere in der Luft enthaltene Edelgase sowie

Spurengase werden in Kapitel 6 Edler Duft liegt in der Luft Die Edelgase bzw.

Kapitel 9 Spuren von Gasen besprochen.

12

3. Unsere Luft Ein lebensnotwendiges Gasgemisch

Bei der Einfhrung in das Thema Luft kann man

den Schlern an einem Modell1 zeigen, dass sich

fast 100 % der Luft aus den vier erstgenannten

Gasen zusammensetzt, indem man ihnen

Legosteine in unterschiedlichen Farben gibt, die

sie so zusammensetzen sollen, dass man die

Zusammensetzung der Luft erkennen kann. Blau

soll hier den Distickstoff, gelb den molekularen

Sauerstoff und rot das Argon darstellen, das weie

Plttchen schlielich steht fr Kohlenstoffdioxid.

Durch die ausgewhlte Schichtung erhlt man ein

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

Wichtig ist zu beachten, dass Tabelle 1 die Zusammensetzung der Luft an der

Erdoberflche wiedergibt; sie ist allerdings variabel.

Dies hngt von vielen Bedingungen ab, z.B. von der Temperatur der Luft. Zur

Erluterung wird im Folgenden der Aufbau der Atmosphre betrachtet.

3.3 Der Aufbau der Atmosphre [10, 11]

Man kann die Atmosphre auf drei Arten unterteilen: nach der Temperatur-

schichtung, nach der chemischen Zusammensetzung und nach ihrem Ionisierungs-

grad.

Teilt man die Atmosphre nach der Temperaturschichtung, von Meereshhe aus

gesehen, ein, erhlt man folgende Bereiche:

Troposphre 0 8 / 18 km, Tropopause 8 - 18 km

Stratosphre 8 / 18 - 50 km, Stratopause,

Mesosphre 50 - 80 km, Mesopause,

Thermosphre 85 - 500 km und

Exosphre > 500 km.

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

13

3. Unsere Luft Ein lebensnotwendiges Gasgemisch

Abb. 5: Aufbau der Atmosphre

Es ist zu erkennen, dass die Temperatur zu verfolgen an der eingezeichneten roten

Kurve in der Troposphre durchschnittlich um etwa 6,5 C pro 1000 m abnimmt,

weshalb es z.B. auf dem Mount Everest sehr viel klter ist als z.B. in Kairo, obwohl

sie auf demselben Breitengrad liegen. Dies hat natrlich auch noch etwas mit dem

Klima, auf das im Rahmen dieser Arbeit nicht nher eingegangen wird, zu tun.

Die Troposphre enthlt rund 80 % der Masse der Atmosphre und nahezu den

gesamten Wasserdampf. Deshalb spielen sich in ihr nahezu alle Wetterprozesse ab.

Die Tropopause befindet sich im Mittel ber den Polen in etwa 8 km, ber den

gemigten Breiten etwa in 12 km und ber dem quator etwa in 18 km Hhe. Die

jeweiligen Pausen sind die sogenannten Wendepunkte (in der Geographie) des

vertikalen Temperaturverlaufes.

So sinkt z.B. die Temperatur in der Troposphre ab, erreicht in der Tropopause ein

Minimum und steigt dann in der Stratosphre wieder an. Solche Wendepunkte findet

man auch in der Stratopause und in der Mesopause.

14

3. Unsere Luft Ein lebensnotwendiges Gasgemisch

Die Stratosphre ist im unteren Bereich isotherm, d.h. ihre Temperatur liegt nahezu

konstant bei -56 C. Erst ab 20 km steigt sie wieder an. Dies geschieht auf Grund von

Strahlungsabsorption, z.B. durch Ozon.

Weiterhin kann man die Atmosphre nach der Zusammensetzung der Luft einteilen

in: Homosphre 0 - 80 km

Heterosphre > 80 km

Hierbei ist es so, dass die Homosphre auf Grund der horizontalen und vertikalen

Luftbewegungen nahezu gleichfrmig durchmischt wird und somit homogen vorliegt.

In der Heterosphre teilen sich dann die Gase, z.B. auf Grund der unterschiedlichen

Dichten, so dass sich die spezifisch leichteren Gase wie Wasserstoff und Helium mit

steigender Hhe anreichern.

Der Vollstndigkeit halber wird hier noch eine dritte Art der Einteilung erwhnt: Man

kann die Atmosphre auch nach dem Ionisierungsgrad der Gasteilchen in

Neutrosphre und Ionosphre einteilen. Darauf wird in dieser Arbeit allerdings

nicht nher eingegangen.

3.4 Technische Gewinnung der Hauptinhaltsstoffe

Unter der Annahme, dass die Troposphre 80 % der Masse der Atmosphre enthlt,

durchschnittlich 12 km hoch ist und die Erde eine ideale Kugel mit mittlerem

Erdradius von 6370 km darstellt, erhlt man einen Mantel um die Erde, der

6,131021 L Luft enthlt. Auf Grund dieses riesigen Vorkommens ist es sinnvoll, die

Hauptbestandteile 3O2, N2 sowie Argon aus der Luft nutzbar zu machen.

Jedes der drei Gase wird hauptschlich durch fraktionierte Destillation flssiger

Luft gewonnen [12].

Die Luftverflssigung kann ber drei Methoden [13]

erfolgen: Nach dem Linde-Verfahren, nach dem Claude-

Verfahren und nach dem Claude-Heyland-Verfahren.

Technisch von Bedeutung ist aber hauptschlich das Linde-

Verfahren [12].

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

15

3. Unsere Luft Ein lebensnotwendiges Gasgemisch

Das Verfahren wird in der Schule nicht besprochen, soll aber, um die Gewinnung der

Hauptinhaltsstoffe aufzuzeigen, im Rahmen dieser Arbeit erlutert werden.

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

Die Luft wird hierbei zunchst auf etwa 200 bar verdichtet. Die komprimierte Luft

wird anschlieend vorgekhlt. Am Drosselventil wird sie wieder entspannt und khlt

sich dabei ab.

Dies nennt man Joule-Thompson Effekt, bei dem Folgendes passiert: Beim

Wiederausdehnen eines komprimierten Gases muss Arbeit geleistet werden, damit die

Anziehung, die zwischen den Gasteilchen herrscht, berwunden werden kann. Die

Energie dazu wird aus der inneren Energie des Gases selbst genommen. Deshalb

nehmen die Moleklbewegungen und damit verbunden die Temperatur des Gases ab

[14]. Dies geschieht erst unterhalb einer bestimmten Temperatur, der sogenannten

Joule-Thompson-Inversionstemperatur.

Den Joule-Thompson Effekt und somit die Abkhlung der Luft kann man anhand

folgender Rechnung aufzeigen: Fr komprimierte reale Gase gilt folgende Gleichung

[12], auf deren Herleitung hier verzichtet wird:

( )2

273273

+=

AnfangEndeAnfangEndeAnfang T

ppTT

Hierbei ist der Joule-Thompson Faktor. Es handelt sich hierbei um eine

dimensionslose Gre, deren Wert bei ~ 1/4 liegt.

16

http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Linde-verfahren.png

3. Unsere Luft Ein lebensnotwendiges Gasgemisch

Whlt man beispielsweise TAnfang = 0 K und pAnfang - pEnde = 1 bar, nimmt die

Temperatur der Luft um K pro bar Druckdifferenz ab.

Geht man von pAnfang = 200 bar und TAnfang 1 = 298 K aus, erhlt man, bei der An-

nahme, dass pEnde = 1 bar betrgt (also unter Standardbedingungen), fr

TEnde 1 = 256,25 K. Dies ist die Temperatur, die am Drosselventil herrscht, wenn das

eingebrachte Luftvolumen einmal durch die Anlage gestrmt ist.

Die durch Ausdehnen abgekhlte Luft wird in einen Gegenstrom-Wrmeaustauscher

geleitet, der die nachfolgend ankommende komprimierte Luft weiter abkhlt.

Geht man von gleich bleibender Komprimierung, d.h. pAnfang = 200 bar aus, sieht man,

dass bei neuer Anfangstemperatur TAnfang 2 = 256,25 K die Temperaturen immer

weiter sinken. Fr die nchste Stufe erhlt man TEnde 2 = 201,79 K.

In diesem Kreislauf khlt sich die Luft nun immer weiter ,von selbst ab, bis am

Drosselventil bei der Entspannung flssige Luft mit einer Temperatur von -194,5 C

(am Siedepunkt) entsteht [12].

Bei den anderen beiden Verfahren, dem Claude-Verfahren, dass G. Claude 1905

erfand, erfolgt der Entspannungsprozess adiabatisch ber eine Expansionsmaschine.

Durch Kombination von Drosselventil und der Expansionsmaschine wurde dieses

Verfahren zum Claude-Heylandt-Verfahren weiter entwickelt [13].

Die flssige Luft kann anschlieend

fraktioniert destilliert werden. Dabei

entsteht molekularer, gasfrmiger Stick-

stoff (Sdp. -196 C) im flchtigen

Destillat. Der flssige, molekulare

Sauerstoff (Sdp. -183 C) bleibt in der

Kolonne zurck. Beginnt man in Abb. 8

bei der Zusammensetzung der

undestillierten, flssigen Luft, also bei

78 % N2 und 21 % O2, siedet das

Gemisch bei -194 C. Der Dampf enthlt

dann nur noch etwa 9 % molekularen

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

molekularen Stickstoffs. flssigem Disauerstoff und Distickstoff

17

3. Unsere Luft Ein lebensnotwendiges Gasgemisch

18

Somit ist die verbleibende Flssigkeit im Gegensatz zum Beginn reicher an

molekularem Sauerstoff und siedet erst spter, also bei einem hheren Siedepunkt.

Auf der Siedekurve luft man somit weiter nach rechts. Unterbricht man die

Destillation, erhlt man einen Dampf der Zusammensetzung von etwa 12 %

molekularem Sauerstoff und 88 % molekularem Stickstoff. Dies ist die

Dampfzusammensetzung, aus der sich der neue Siedepunkt ergibt.

Durch hufiges Wiederholen dieses Prozesses bekommt man am Ende einen Dampf

aus reinem, molekularem Stickstoff und im Destillationsrckstand bleibt der

molekulare Sauerstoff zurck.

Da der Siedepunkt von Argon mit -186 C zwischen molekularem Stickstoff und

Sauerstoff liegt, entsteht bei der fraktionierten Destillation der flssigen Luft

entweder argonhaltiger Distickstoff oder argonhaltiger Disauerstoff. Sie sind das

Ausgangsmaterial, aus dem durch nachfolgende chemische und physikalische

Trennmethoden reines Argon gewonnen wird [15].

4. Der molekulare Stickstoff Verdorbene Luft

4. Der molekulare Stickstoff Verdorbene Luft

Etwa 78 % der Luft bestehen aus Distickstoff. Dies ist das Hauptvorkommen des

Elementes Stickstoff. In Mineralien liegt es in gebundener Form meist als Nitrat vor,

z.B. im Chilesalpeter als Natriumnitrat [16].

Stickstoff ist fr den Menschen essentiell, da er z.B. sowohl in Aminosuren, in den

Proteinen als auch in den Pyrimidin- und Purinbasen der DNA/RNA enthalten ist [17].

Gewonnen wird molekularer Stickstoff hauptschlich durch Destillation flssiger Luft

(vgl. Kap. 3.4 Technische Gewinnung der Hauptinhaltsstoffe).

4.1 Woher kommt der Name Distickstoff?

Molekularer Stickstoff wurde 1772 u.a. von Scheele

entdeckt, der ihn als verdorbene Luft bezeichnet [16].

Abb. 9: Carl Scheele

Um zu demonstrieren, wie Scheele den Distickstoff entdeckte, kann man die Schler

im zweiten Halbjahr der Klassenstufe 8 zum Thema Quantitative Zusammensetzung

der Luft folgenden Versuch, verndert nach [18] in Kleingruppen bzw. als

experimentelle Hausaufgabe (vgl. Arbeitsblatt 2 Hausaufgabenversuche zur

Zusammensetzung der Luft) durchfhren lassen: Eine brennende Kerze, die auf

Wasser schwimmt und sich unter einem Erlenmeyerkolben befindet, erstickt nach

einiger Zeit (vgl. Versuch 1.1 Eine Kerze erStick(stoff)t!).

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

Lebewesen seinen Namen bekommen.

Weiterhin wird ein wenig Wasser in den Erlenmeyerkolben gesogen und der grte

Teil der vorhandenen Luft nicht verbraucht. Dies gibt den Schlern einen ersten

Hinweis auf die genauere Zusammensetzung der Luft.

4.2 Physikalische Eigenschaften

Molekularer Stickstoff ist bei Standardbedingungen ein farb-, geschmack- und

geruchloses Gas, dessen Dichte 1,25 g/L (bei 0 C, 1,013 bar und 45 geo-

graphischer Breite) betrgt.

19

4. Der molekulare Stickstoff Verdorbene Luft

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

Um diese Zahlen nicht zusammenhangslos in den Raum zu stellen, kann man die

Schler der 8. Klassenstufe z.B. einen Steckbrief zum molekularen Stickstoff

verfassen lassen. Dieser knnte, verndert nach [19], wie folgt aussehen:

Vorkommen zu 78 % Bestandteil der Luft

Entdeckung 1772 u. a. durch Scheele

Physikalische Eigenschaften Farb-, geruch- und geschmackloses Gas,

Dichte = 1,25 g/L,

Schmelzpunkt = -209,99 C

Siedepunkt = -195,82 C

Chemische Eigenschaften Erstickt die Flamme, reagiert nur unwillig mit

anderen Stoffen

Verwendung Herstellung von Mineraldnger

Tabelle 2: Steckbrief des (molekularen) Stickstoffs [19]

Spter, d.h. z.B. in Klassenstufe 9.1, wenn den Schlern die molare Masse und

weitere Eigenschaften bekannt sind, kann man den Steckbrief erneut aufgreifen und

erweitern. Dies wird in Kapitel 5.2 Physikalische Eigenschaften am Beispiel des

Disauerstoffs gezeigt.

Bei der Aufstellung der Tabelle sollte man darauf achten, dass die Schler im

Anfangsunterricht Chemie nicht wissen, dass der Stickstoff der Luft als Dimer vor-

liegt und dass sich alle angegebenen Werte auf denselben Stoff, hier molekularen

Stickstoff, beziehen. Deshalb wird beim Vorkommen z.B. nicht der Chilesalpeter

oder Harnstoff erwhnt, da dort Stickstoff elementar enthalten ist.

Die molare Masse des Elementes betrgt gerundet 14 g/mol, also betrgt die

Moleklmasse M(N2) = 28 g/mol.

Dichte und Moleklmasse kann man im Schulunterricht sehr anschaulich mit Hilfe

der Gasmolwaage erarbeiten (vgl. Versuch 2 Dichte und molare Masse von Gasen

schnell und unkompliziert). Die Dichte, die im fakultativen Lerninhalt in

Klassenstufe 8 besprochen wird, kann man direkt an der Skala der Waage ablesen.

20

4. Der molekulare Stickstoff Verdorbene Luft

In der neunten Klasse kann beim Thema Verhalten von Gasen Zweiatomigkeit

gasfrmiger Elementmolekle gezeigt werden, dass (Di-)Stickstoff nicht einatomig,

sondern als zweiatomig vorkommt. Die Moleklmasse, die man an der Gasmolwaage

ablesen kann, betrgt 28 g/mol. Da die Schler sich im Periodensystem ein wenig

auskennen, wissen sie, dass die molare Masse 14 g/mol betrgt. Also mssen es zwei

Stickstoffatome sein, die hier verbunden sind.

In beiden oben genannten Schulstufen sollte die Gasmolwaage als

Messgert verwendet werden, ohne ihr genaues Prinzip zu erklren.

Es beruht auf der Messung des Auftriebes (ARCHIMEDES), den

eine geschlossene Glaskugel in einem Gase erfhrt, mittels einer

Federwaage, die mit einer empfindlichen kleinen

Balkenwaagegekoppelt ist.[20] Abb. 10: Gasmolwaage

GW 61 Plexi

Der Satz von Archimedes besagt:

Der Auftrieb ist so gro wie die Gewichtskraft

des verdrngten Gases. [21]

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

A = gVgmG ==

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

Da die Glaskugel ein konstantes Volumen besitzt, verdrngt sie bei gleicher

Temperatur und gleichem Druck jeweils das gleiche Gasvolumen und damit die

gleiche Anzahl von Gasmoleklen (AVOGADRO)[20] des Gases, das in die Gas-

molwaage eingefllt wird (vgl. Kapitel 11.3 Der Druck in geschlossenen Gefen).

Somit ist die Differenz im Auftrieb gleich der Differenz der Massen der beiden

verdrngten Gasvolumina [20].

D.h., misst man zunchst den Auftrieb der Luft, die sich in der Glaskugel befindet, im

Referenzgas Luft, steht die Balkenwaage auf Null, da die Gasmolwaage auf Luft

kalibriert wird.

21

4. Der molekulare Stickstoff Verdorbene Luft

Fllt man anschlieend z.B. Distickstoff in den Gasraum um die Glaskugel, in

welcher sich immer noch Luft befindet, erfhrt sie einen Auftrieb. Stellt man die

Balkenwaage wieder auf Null, kann man direkt an der Skala der Gasmolwaage die

Dichte und die molare Masse ablesen.

4.3 Chemische Eigenschaften

Das Element Stickstoff steht in der 5. Hauptgruppe des Periodensystems. Es ist ein

Nichtmetall mit der Elektronenkonfiguration 1s22s2p3 [22], dem drei Elektronen zur

Edelgaskonfiguration des Neons fehlen. Deshalb bildet es Dimere.

Nach der Einfhrung der molaren Masse in Klassenstufe 9 wird zunchst die

Abkrzung N2 verwendet. Betrachtet man in der zweiten Unterrichtseinheit der

Klassenstufe 10 Elektronenpaarbindung/Atombindung, ergibt sich fr ein Stick-

stoffmolekl folgende Lewis-Schreibweise:

N N

Abb. 11: Lewis-Schreibweise des molekularen Stickstoffs

Die Dreifachbindung ist sehr stabil und zeigt auf, warum der Stickstoff z.B. als

Inertgas verwendet wird. Die Dissoziationsenergie, die man bentigt um sie zu

spalten, liegt bei 946,04 kJ [16] pro Mol Stickstoffmolekle.

N2(g) + 946,04 kJ 2 N

Im Vergleich dazu betrgt die Dissoziationsenergie von einem Mol Chlormoleklen

nur 243,52 kJ [23].

Dies wird den Schlern sehr schnell einleuchten, wenn sie die Lewis-Schreibweise

von Chlor daneben zeichnen und feststellen, dass hier nur eine Einfachbindung

vorliegt.

Die Reaktionen von Distickstoff z.B. mit Alkali- und Erdalkalielementen sind hier

auer Acht gelassen. Der Einfachheit halber werden in der Schule keine Ver-

bindungen des Elementes Stickstoff besprochen, da die Schler in diesem

Zusammenhang lernen und verstehen sollen, dass ein hoher Bindungsgrad eine hohe

Dissoziationsenergie hervorruft und somit eine starke Bindung im Stickstoffmolekl

herrscht.

22

4. Der molekulare Stickstoff Verdorbene Luft

Betrachtet man zustzlich in einem guten Leistungskurs das Moleklorbitalmodell

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

Abb. 12: Energieniveauschema des molekularen Stickstoffs

Die Bindungsordnung BO = (b-b*) betrgt BO (N2) = 3, wobei b die Anzahl der

Elektronen in bindenden Moleklorbitalen, b* die Anzahl der Elektronen in nicht

bindenden Moleklorbitalen ist [24].

In molekularem Stickstoff treten die 2s- und 2p-Orbitalen auf Grund der geringen

Energiedifferenz miteinander in Wechselwirkung.

Es geschieht folgendes: Die bindenden und antibindenden -Moleklorbitale besitzen

einen s-p-Hybridorbitalcharakter, keinen reinen s- oder p-Charakter mehr. Damit

werden die s-Moleklorbitale stabilisiert, die x- Orbitale aber destabilisiert. Somit

sind die bindenden -Orbitale, im vorliegenden Beispiel y und z, stabiler und

deshalb energetisch gnstiger [24].

Diese Erklrung, warum die Energieniveaus vertauscht werden, wird in der Schule

nicht gegeben.

23

4. Der molekulare Stickstoff Verdorbene Luft

Man kann in der Schule den Schlern an einem einfachen Modell2 erklren, wie aus

den Atomorbitalen die Moleklorbitale, also beispielhaft die drei Bindungen des

Distickstoffs, entstehen.

Um dies zu veranschaulichen, betrachtet man zunchst die Bildung der Molekl-

orbitale aus den vorhandenen Atomorbitalen. Hierzu geht man von folgendem

Achsenkreuz aus:

z

y

x

Abb. 13: Achsenkreuz nach [24]

Die -Bindung wird durch die berlappung zweier px-Orbitale gebildet, die beiden

-Bindungen durch Addition der Elektronenwolke zweier py- bzw. pz-Molekl-

orbitale. Die jeweiligen antibindenden Orbitale ergeben sich entsprechend.

Nachdem die Schler wissen, dass die Atomorbitale den Raum mit der grten

Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons darstellen und diese unterschiedliche

Formen haben, z.B. das s-Orbital kugelfrmig, das p-Orbital hantelfrmig ist, knnen

sie diese miteinander kombinieren. Hierbei entstehen die Moleklorbitale [24].

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

24

4. Der molekulare Stickstoff Verdorbene Luft

Abb. 14: Bildung von bindenden und antibindenden Moleklorbitalen

aus den Atomorbitalen px und pz

Beschrnkt man sich auf die drei p-Orbitale und will anhand eines Modells die Drei-

fachbindung des Distickstoffs erklren, kann man den Schlern Arbeitsblatt 3 Ein

Modell fr ein Modell geben. Hierbei sollen sie selbstndig aus verschiedenfarbigen

Broklammern ein Modell anfertigen, aus dem ersichtlich wird, wie die ver-

schiedenen Orbitale, also die Broklammern, miteinander kombiniert werden knnen.

Jede Broklammer soll fr einen positiven oder negativen Orbitallappen stehen.

Nimmt man z.B. eine blaue und eine gelbe

Broklammer, kann man sie zunchst einmal mit-

einander verbinden. Dies ergibt ein Modell eines

px-Orbitals Abb. 15: Broklammermodell eines

. px-Orbitals

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

Abb. 16: Broklammermodell zweier px-Orbitale

Diese kann man, um ein Modell fr eine -Bindung zu erhalten, noch einmal

miteinander verbinden. Hierbei entsteht ein bindendes Moleklorbital, wenn gleiche

Vorzeichen der p-Orbitale (der -Funktion), im vorliegenden Modell gleiche Farben,

miteinander verbunden werden. Ein antibindendes Moleklorbital wird symbolisiert

durch Zusammenstecken von blau und gelb.

Abb. 17: Broklammermodell des bindenden Moleklorbitals x

25

4. Der molekulare Stickstoff Verdorbene Luft

Will man nun eine Bindung darstellen, werden die beiden Atomorbitale, z.B. in

wei und schwarz, in y-Richtung oder in grn und rot in z-Richtung ausgerichtet.

Abb. 18 (1) und (2): Broklammermodell zweier py- bzw. zweier pz-Orbitale des Distickstoffs

Hier kann eine doppelte berlappung stattfinden: es knnen rot-rot und grn-grn

miteinander verbunden werden. Die antibindenden Orbitale ergeben sich jeweils aus

der umgekehrten Kombination.

Abb. 19 (1) und (2): Broklammermodell der y-Bindung und z-Bindung im Distickstoff

Da die Schler anhand dieses Modells die Ausbildung der Moleklorbitale selbst

hergeleitet haben, ist es fr sie einfacher, dies zu verstehen und zu behalten.

Daraus kann ein einfacheres Moleklorbitalmodell als in Abb. 9 erstellt werden, in

dem nur die p-Orbitale miteinander kombiniert werden, damit die Dreifachbindung

erkennbar wird. __x*

__ __ y*, z*

__ __ __ __ __ __

2 px,y,z __ xb 2 px,y,z

Atomorbitale __ __ yb, zb Atomorbitale

N N

Moleklorbital N2

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

26

4. Der molekulare Stickstoff Verdorbene Luft

4.4 Ein Gas geht um die Welt Der Distickstoffkreislauf

Technisch wird molekularer Stickstoff hauptschlich mit Hilfe des Linde-Verfahrens,

das ausfhrlich in Kapitel 3.4 Technische Gewinnung der Hauptinhaltsstoffe (der

Luft) besprochen wurde, hergestellt. Danach, so wie nach der Atmung, liegt er aber

immer noch molekular vor.

Im Nachfolgenden wird besprochen, wie die Stickstoffmolekle der Luft in unter-

schiedlicher Form und auf verschiedenen Wegen gebunden werden knnen.

Dazu wird der Kreislauf betrachtet, den der Distickstoff in Atmo-, Hydro- und Litho-

sphre (bis zu 16 km Tiefe) durchluft [25].

Dieser Kreislauf kann grtenteils in der Klassenstufe 10 besprochen werden.

Hier lernen die Schler laut Lehrplan z.B. die Theorie zur atmosphrischen Fixierung

im Thema Sure-Base Theorie nach Broensted. Im fakultativen Lerninhalt wird die

Herstellung von Ammoniak, also die technische Fixierung im Haber-Bosch-

Verfahren, besprochen.

Das Prinzip von Zwang, also der Einfluss auf die Lage des Gleichgewichtes wird

erst in Jahrgangsstufe 13 beim Thema Das chemische Gleichgewicht besprochen.

Einige der zugehrigen Reaktionsgleichungen, z.B. die Umwandlung von Nitrit in

Nitrat, sind in der 10 Klasse allerdings noch zu kompliziert und knnen z.B. erst in

Jahrgangsstufe 11 im Anschluss an das Thema Redoxreaktionen erklrt werden.

Der in Kap. 4.4.1 Fixierung des molekularen Stickstoffs und 4.4.2 Freisetzung von

molekularem Stickstoff beschriebene Kreislauf ist aus verschiedenen Quellen,

hauptschlich aus [26], ergnzt durch [16, 25, 27, 28], neu zusammengestellt.

4.4.1 Fixierung des molekularen Luftstickstoffs

a) Atmosphrische Fixierung

Durch elektrische Entladung, z.B. durch Blitze entstehen

Stickstoffoxide.

)(2

0

gN + O + 180,62 kJ 2 )(20

g )(

22

gON+

2 (g) + O 2 + 114,2 kJ Abb. 21: Gewitterblitz 22 +

ON )(20

g )(2

24

gON+

27

4. Der molekulare Stickstoff Verdorbene Luft

Da Stickstoffmonoxid eine stark endotherme Verbindung ist, lsst es sich nur durch

Zufuhr einer hohen Aktivierungsenergie und bei hohen Temperaturen, beides entsteht

bei einer Blitzentladung, aus den Elementen erzeugen. Das Temperaturoptimum liegt

bei etwa 2000 C. Da diese hohen Temperaturen nur kurze Zeit vorhanden sind, setzt

sich das Stickstoffmonoxid rasch mit dem vorhandenen Luftsauerstoff zu

Stickstoffdioxid um. Dies ist eine exotherme Verbindung und wrde bei

Temperaturen ber 650 C nicht entstehen.

Den in dieser Weise natrlich ablaufenden Prozess kann man in der Schule sehr

einfach mit Hilfe von Versuch 3 Aus der Luft in den Boden Blitze fixieren N2 [29]

nachvollziehen. Hierbei wird Luft im Lichtbogen bei 8000 V verbrannt und es

entstehen die beiden oben genannten Stickstoffoxide NO und NO2. Sie sind beide

sehr giftig und auch auf Grund der Hochspannung sollte dieser Versuch

ausschlielich als Lehrerversuch durchgefhrt werden.

Dass dieser Prozess der Stickstoffoxidbildung in der Natur nicht selten ist, sieht man

daran, dass es pro Sekunde auf der Welt etwa 200-mal blitzt und in manchen

Gebieten der Tropen bis zu 200-mal im Jahr gewittert [30].

In der Natur werden die Oxide des Stickstoffs durch Regen aus der Atmosphre in

Form von Salpetersure ausgewaschen und liegen als Nitrationen im Boden vor.

3 + OH 2 ONH + )(224

gON+

2 )(3

5

aq

+

)(

22

gON+

Zusammengefasst luft also in Versuch 3 Aus der Luft in den Boden Blitze

fixieren N2 folgende Reaktion ab:

2 + 5 O + 2 4 + 60,6 kJ )(20

gN )(20

g OH 2 )(35

aqONH+

Das Vorhandensein von Sure im Wasser, in das die Stickstoffoxide beim Versuch

eingeleitet wurden, kann mit Hilfe des pH-Wertes nachgewiesen werden.

Hierbei sollte man die Schler erneut auf die starke Bindung im Stickstoffmolekl

und somit auf die Reaktionstrgheit des molekularen Stickstoffes hinweisen, da sonst,

unter Annahme der obigen exothermen Reaktionen, der gesamte Disauerstoff unserer

Atmosphre zur Bildung von Salpetersure in den Ozeanen verbraucht wrde.

Die entstandenen Nitrationen werden von Pflanzen, den Produzenten, aus dem

Boden aufgenommen und ber verschiedene Schritte zu Proteinen umgewandelt.

28

4. Der molekulare Stickstoff Verdorbene Luft

Diese werden von den Konsumenten, z.B. Menschen und Tieren, direkt oder indirekt

als Nahrung aufgenommen. Sie bilden daraus als Stoffwechselendprodukt unter

anderem Harnstoff. Wird dieser durch die Destruenten, z.B. Pilze und Bakterien,

zersetzt, entsteht Ammoniak, der erneut zu Ammoniumionen umgewandelt werden

kann oder in die Atmosphre entweicht.

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

Bei der Verwesung abgestorbenen, organischen Materials, tierischen oder

pflanzlichen Ursprungs, kann auerdem ber einen langwierigen Prozess je nach

ueren Gegebenheiten Erdl, Erdgas oder Kohle entstehen.

b) Biologische Fixierung

Es gibt drei Gruppen stickstofffixierender Mikroorganismen. Diese sind alle

prokaryotisch, also noch ohne Zellkern, und man kann sie nach ihrem

Sauerstoffbedrfnis in drei Gruppen einteilen: die obligat anaerob lebenden, die

fakultativ anaerob und die obligat aerob lebenden Organismen.

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

In diesem Zusammenhang am wichtigsten sind die obligat aerob lebenden

Mikroorganismen wie z.B. Azotobacter. Es tritt in gut durchlftetem Boden, aber

auch in Meer- und Swasser mit gengend Sauerstoffgehalt auf und ist in der Lage,

aus molekularem Luftstickstoff unter Reduktion Ammoniak und schlielich

Ammoniumionen zu bilden.

0

2N (g) + 6 e- + 6 2 (g) + 6 )(3 aqOH

+3

3HN

OH 2

)(3 gNH + H + OH O2 )(4 aqNH+

)(aq

Da die Dissoziationsenergie des molekularen Stickstoffs 946,04 kJ/mol betrgt, ist die

Umwandlung endergonisch, bringt den Bakterien also keinen energetischen Nutzen.

Die Prokaryoten knnen den Vorgang allerdings durch die Bildung eines speziellen

Nitrogenase-Enzymkomplexes katalysieren.

Sie sind die einzigen Lebewesen, die den Distickstoff fixieren knnen. Alle brigen

Lebewesen mssen ihn, da er essentiell ist, ber die Nahrung zu sich nehmen.

29

4. Der molekulare Stickstoff Verdorbene Luft

Die bekanntesten distickstofffixierenden Bakterien sind

die Knllchenbakterien (Gruppe Bakterium radicicola),

die ihre Stickstoffbindung nur in Verbindung mit hheren

Pflanzen durchfhren. Sie sind am aktivsten in Verbindung

mit Leguminosen (Schmetterlingsbltler/Hlsenfrchte),

also z.B. Erbsen. Es ist eine Symbiose, da die hheren

Pflanzen Kohlenhydrate bereitstellen und das Bakterium Abb. 22: Knllchenbakterien

im Gegenzug nahezu den gesamten Bedarf der Pflanze

an reduziertem Stickstoff deckt.

Da Pflanzen zwar Ammoniumionen aufnehmen knnen, aber Nitrate bevorzugen,

werden die Ammoniumionen von den Bakterien in Nitrate umgewandelt.

Diese Nitrifikation, eine oxidative Veratmung mit Sauerstoff, also aerob, verluft

ber zwei Stufen.

Zunchst wandeln Nitritbakterien wie z.B.

Nitrosomonas die Ammoniumionen in Nitrit um. Abb. 23: Nitrosomonas

2 + 3 + 2 2 ON + 4 )(4 aqNH+

)(2

0

gO OH 2 )(223

aq

+

)(3 aqOH+

Das entstandene Nitrit wird von Nitratbakterien,

z.B. Nitrobacter, aerob zu Nitrat oxidiert.

Abb. 24: Nitrobacter

2 + 2 ON )(223

aqON +

)(2

0

aqO 325 +

)(aq

Die biologische Fixierung kann z.B. fcherbergreifend zusammen mit einem

Biologie Leistungskurs behandelt werden. Hier knnten Versuche zum Thema Boden

und Bakterien durchgefhrt werden.

c) Technische Fixierung

Industriell wird Distickstoff mit Hilfe

des Haber-Bosch Verfahrens in Form

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

)(2

0

gN + 3 H 2 3HN + 92,28 kJ )(20

g )(

13

g

+

30

4. Der molekulare Stickstoff Verdorbene Luft

31

Unabhngig vom Distickstoffkreislauf ist das Haber-Bosch Verfahren eines der

grotechnischen Verfahren, das in der Schule besprochen werden sollte.

An ihm kann man in der Jahrgangsstufe 13 sowohl im Leistungs- als auch im

Grundkurs Das chemische Gleichgewicht, Prinzip von Zwang und die

Wirkungsweise eines Katalysators besprechen.

4.4.2 Freisetzung von molekularem Stickstoff

Wie aerobe Bedingungen bei der Nitrifikation die Oxidation begnstigen, be-

gnstigen anaerobe Bedingungen die Denitrifikation.

Hierbei entsteht ber mehrere Schritte durch enzymatische Stoffwechselvorgnge,

z.B. des Flavobakteriums, elementarer Stickstoff und bis zu 10 % Distick-

stoffmonoxid, das zum natrlichen Abbau von Ozon beitrgt (vgl. Kapitel 8.4 Was

passiert in der Stratosphre?).

2 NO3-(aq) + 2 C N2O(g) + CO32-(aq) + CO2(g)

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

Zur Vereinfachung kann folgende Reduktion formuliert werden:

2 NO3-(aq) + 12 H3O+(aq) +10 e- N2(g) + 18 H2O

Insgesamt kann der auf der nchsten Seite folgende Kreislauf als Arbeitsblatt oder

Hefteintrag entwickelt werden.

Wenn in der Schule keine Zeit ist, den gesamten Kreislauf zu erarbeiten oder er nur

punktuell erarbeitet werden kann, sind auf dem Arbeitsblatt alle wichtigen Reaktions-

gleichungen und Ablufe detailliert enthalten, damit es ohne weitere Erklrungen an

die Schler ausgegeben werden kann.

Der Stickstoffkreislauf kann, ebenso wie der Treibhauseffekt (vgl. Kap. 7.3. Der

natrliche Treibhauseffekt) in der Schule in Form eines Schlerreferats besprochen

werden. Als Arbeitsgrundlage kann hier das nachfolgende Arbeitsblatt dienen.

Abbildung auf der nachfolgenden Seite:

Abb. 27: Der Stickstoffkreislauf Selbstangefertigtes Arbeitsblatt

5. Luft zum Atmen Der molekulare Sauerstoff

5. Luft zum Atmen - Der molekulare Sauerstoff

Etwa 21 % der Luft bestehen aus molekularem Sauerstoff.

Sauerstoff ist das in der Erdrinde, dem Meer, der Biosphre und der Luft mit einer

Gewichtsmenge von 48,9 % am meisten vorkommende Element. Er kommt in

gebundener Form u. a. als Oxide, in Form von Carbonaten, Silikaten sowie molekular

in der Luft oder gelst im Wasser vor [31].

Weshalb Sauerstoff fr den Menschen wichtig ist, sieht man gut an der sogenannten

Dreierregel, eine Faustregel, die besagt, dass der Mensch nicht drei Minuten ohne

Luft, drei Tage ohne Wasser und drei Wochen ohne Nahrung berleben kann [32].

Mit Luft ist dabei der in der Luft vorhandene und zur Atmung bentigte

Disauerstoff gemeint.

Gewonnen wird er fast ausschlielich durch fraktionierte Destillation flssiger Luft

(vgl. Kap. 3.4 Technische Gewinnung der Hauptinhaltsstoffe).

5.1 Feuerluft Lebensluft Oxygen

Erneut war es u. a. Carl Scheele, der den Disauerstoff 1772 als Feuerluft erstmals

beschrieb. Er gewann ihn zum Beispiel durch Erhitzen von Quecksilber(II)-oxid [31].

Unabhngig von Scheele entdeckte ihn 1774 der

britische Naturforscher Joseph Priestley, der ihn

nach der herrschenden Theorie als dephlogistierte

Luft bezeichnete. Erst 1777 erkannte Antoine de

Lavoisier, nachdem er Priestleys Bezeichnung

Feuerluft kannte, dass er ein gasfrmiges Element

vor sich hatte und nannte es Lebensluft (vgl. Kap.

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

stoffkreislauf).

Spter bezeichnete er das gefundene Gas als Oxygen (griech). = Surebildner, woher

das Elementsymbol O kommt. Er ging davon aus, dass der neu entdeckte Stoff

elementarer Bestandteil aller Suren sei [31].

In der Schule kann man den Versuch 1.1 Eine Kerze erStick(stoff)t weiterfhren

(vgl. Kap. 4.1 Woher kommt der Name Distickstoff?).

33

5. Luft zum Atmen Der molekulare Sauerstoff

Bisher haben die Schler erkannt, dass, wenn man ber eine auf Wasser

schwimmende, brennende Kerze einen Erlenmeyerkolben stlpt, die Kerze ausgeht

und Wasser in den Erlenmeyerkolben gesogen wird. Lsst man sie den Versuch mit

einem vollstndig graduierten Erlenmeyerkolben erneut durchfhren, erkennen sie,

dass etwa 1/5 der Luft durch Wasser ersetzt, also von der Kerze verbraucht wird (vgl.

Versuch 1.2 Wie viel ,Luft bleibt brig?, Arbeitsblatt 2 Hausaufgabenversuche

zur Zusammensetzung der Luft).

Hierbei wird im Sinne einer didaktischen Reduktion vernachlssigt, dass beim

Verbrennen von Paraffin, welches aus ungesttigten Kohlenwasserstoffen [33] der

Formel CnH2n+1 besteht, CO2 entsteht.

CnH2n+1(l) + (3/2n+1/4) O2(g) n CO2(aq) + ( 212 +n ) H2O

Dieses lst sich im Wasser und vergrert somit das Volumen nicht (vgl. Kap. 7.4

Ferien am Lake Nyos Besser nicht!). Ein weiterer Effekt, der die Durchfhrung

des Versuches mglich macht, ist, dass sich Gase beim Abkhlen zusammenziehen

und deshalb das Wasser in den Erlenmeyerkolben gesogen wird.

Was das fr ein Gas ist, das die Verbrennung unterhlt, kann man ihnen dann durch

die Darstellung von Disauerstoff zeigen. Hier kann man z.B. den Weg gehen, den

auch Carl Scheele bei der Entdeckung des Disauerstoffs genommen hat. Da aber aus

Quecksilber(II)-oxid beim Erhitzen neben dem Disauerstoff elementares Quecksilber

entsteht, darf der Versuch in der Schule nicht mehr durchgefhrt werden.

Mchte man dennoch einen historisch orientierten Weg whlen, kann stattdessen

Kupfer(II)-oxid verwendet und in einem Reagenzglas mit dem Bunsenbrenner erhitzt

werden (vgl. Versuch 4.1 Darstellung von molekularem Sauerstoff). Hierbei

entsteht bei 900 C Kupfer(I)-oxid und molekularer Sauerstoff [34].

4 Cu (s) 2 OCu (s) + O (g) 22 +

O21

2

+

2

0

Da in diesem Zusammenhang in der Schule aber Begriffe wie Oxid, Oxidation als

Verbrennung von Metallen mit Sauerstoff erklrt werden sollen, wird meistens im

Sinne einer didaktischen Reduktion die Reaktion von Kupferoxid zu reinem Kupfer

und Disauerstoff formuliert [18].

34

5. Luft zum Atmen Der molekulare Sauerstoff

Der entstehende Disauerstoff wird in einer pneumatischen Wanne aufgefangen und

mit der Glimmspanprobe nachgewiesen (vgl. Versuch 4.2 Die Glimmspanprobe) [18].

Der Vorteil dieser Sauerstoffbildung ist, dass das Gas, um das es geht, direkt her-

gestellt wird und die Schler es beim Aufsteigen in den Standzylinder beobachten

knnen. Auerdem kann man die Glimmspanprobe als einen Nachweis fr den

Disauerstoff anschlieen und hier den Schlern zeigen, dass er die Verbrennung

unterhlt und in reiner Form vorliegend einen glimmenden Span wieder

entzndet.

Will man Disauerstoff darstellen, ist diese Methode in der Jahrgangsstufe 8

sinnvoller, als z.B. die Darstellung von Disauerstoff durch katalytische Zersetzung

von Wasserstoffperoxid mit Braunstein, da die Schler in diesem Fall keine fr sie

verstndliche Reaktionsgleichung (Wortgleichung) aufstellen knnen.

Man kann aber auch indirekt die Existenz des Disauerstoffes nachweisen, indem man

zeigt, dass das Luftvolumen geringer wird, wenn man in einem vorher genau

abgemessenen Volumen etwas verbrennt, das den Disauerstoff an sich bindet. Dies

wurde in Versuch 1.2 Wie viel Luft bleibt brig? schon angedeutet.

Um genauer zu zeigen, dass etwa 21 % Disauerstoff in der Luft enthalten sind, kann

man einen Versuch zur Bestimmung des Gehaltes an molekularem Sauerstoff [29] in

der Luft durchfhren. Dazu verwendet man ein geschlossenes System, wie z.B. ein

Quarzglhrohr zwischen zwei Kolbenprobern. Elementares Kupfer, z.B. in Form von

Kupferpulver, wird auf Glaswolle im Quarzglhrohr gegeben. Unter Erhitzen mit

dem Bunsenbrenner wird das Kupferpulver mit 100 mL Luft, die sich in einem der

beiden Kolbenprober befindet, zu Kupfer(II)-oxid umgesetzt.

0Cu (s) + O (g) Cu (s) 2

0 22 +O

Da von den 100 mL Luft nach der Verbrennung nur etwa 78 mL brig bleiben,

knnen die Schler daraus schlieen, dass 21 % der Luft aus Disauerstoff besteht, der

an das Kupfer gebunden wird. Der Rest ist hauptschlich der nicht reaktive

Distickstoff.

Der Vorteil ist, dass die Schler aus ihnen bekannten Stoffen, nmlich dem

Kupferpulver und dem Disauerstoff der Luft, im Versuch ein neues Produkt, das

schwarze Kupfer(II)-oxid, bilden.

35

5. Luft zum Atmen Der molekulare Sauerstoff

Der Begriff Oxidation, als die Verbrennung eines Stoffes mit Luft-Sauerstoff und

der Begriff des Oxides als Produkt einer solchen Verbrennung, kann auch an

diesem Beispiel eingefhrt werden [18].

5.2 Physikalische Eigenschaften

Molekularer Sauerstoff ist bei Standardbedingungen gasfrmig, geschmack- und

farblos und in sehr dicken Schichten blulich. Sein Siedepunkt liegt bei -182,9 C,

der Schmelzpunkt bei -218,4 C [31]. Die Dichte (bei 0 C, 1,013 bar und 45 geo-

graphischer Breite) liegt bei 1,429 g/L und die molare Masse betrgt 32 g/mol. Die

Dichte von flssigem Disauerstoff liegt am Siedepunkt bei 1,140 g/cm3. Er ist

hellblau und hochreaktiv [31].

In Kapitel 4.2 Physikalische Eigenschaften befindet sich der Steckbrief des

Distickstoffs, wie er in Klassenstufe 8 aussehen kann. bertrgt man diesen auf den

molekularen Sauerstoff und den erweiterten Kenntnisstand der Schler in

Klassenstufe 9, knnte der Steckbrief, verndert nach [19] und ergnzt durch [31], fr

den molekularen Sauerstoff wie folgt aussehen.

Vorkommen Bestandteil der Luft (21 %)

Entdeckung 1772 u. a. durch Scheele

Physikalische Eigenschaften Farb-, geruch- und geschmackloses Gas,

Dichte (g) = 1,429 g/L, Dichte (fl.) = 1,140 g/cm3

Schmelzpunkt = -218,4 C

Siedepunkt = -182,9 C

Chemische Eigenschaften Unterhlt die Verbrennung, reagiert mit fast allen

Elementen zu Oxiden

Verwendung Schweien, Atemgerte, als Treibstoff

Moleklsymbol O2

Molare Masse 32 g/mol

Tabelle 3: Steckbrief des (molekularen) Sauerstoffs [19, 31]

Wie in Kapitel 4.2 Physikalische Eigenschaften des Distickstoffs beschrieben, kann

man auch beim Disauerstoff die Dichte und die molare Masse mit Hilfe der

Gasmolwaage in der Schule einfhren (vgl. Versuch 2 Dichte und molare Masse

von Gasen schnell und unkompliziert).

36

5. Luft zum Atmen Der molekulare Sauerstoff

5.3 Chemische Eigenschaften

Das Element Sauerstoff gehrt zu den Chalkogenen. Es ist ein Nichtmetall mit der

Elektronenkonfiguration 1s22s2p4, dem zwei Elektronen zur Edelgaskonfiguration

des Neons fehlen. Deshalb bildet es Dimere [14].

Abb. 29 - 31: Bildung von molekularem Sauerstoff: Annherung der

Atome, berlappung der Orbitale, gebildetes Dimer

In der Mittelstufe, genauer in Klassenstufe 10 beim Thema Elektronenpaar-

bindung/Atombindung, 2.2 Lewis-Formeln, werden Doppelbindungen, z.B. des

Disauerstoffmolekls eingefhrt. Man schreibt die Formel der Einfachheit halber wie

folgt:

O O

Abb. 32: Lewis-Formel des Sauerstoffmolekls

Der Vergleich der Bindungslngen und strken zwischen z.B. der Dreifachbindung

des Distickstoffs (110 pm), der Doppelbindung des Disauerstoffs (120 pm) und den

Einfachbindungen von molekularem Fluor (144 pm) und molekularem Chlor (198

pm) zeigt den Schlern, dass die Bindungsstrke grer wird, je krzer die Bindung

ist.

Somit ist die obige Form des Disauerstoffmolekls in diesem Zusammenhang

sinnvoll und erfllt ihren Zweck [35], da sie den Doppelbindungscharakter aufzeigt

und die Oktettregel erfllt ist, die die Schler in Jahrgangsstufe 10 gerade neu gelernt

haben. Auerdem wird gewhrleistet, dass die Elektronen der einzelnen Atome zu

Paaren zusammengefasst werden und jeder Strich ein Elektronenpaar darstellt.

Das Disauerstoffmolekl ist paramagnetisch, also ein Diradikal. Dies kann man durch

folgende Strukturformel aufzeigen.

Abb. 33: Lewis-Schreibweise des Sauerstoffmolekls als Diradikal

37

http://www.uni-koeln.de/ew-fak/Chemie/uvm_projekt/modul_2/bigpic_o2_1.htmhttp://www.uni-koeln.de/ew-fak/Chemie/uvm_projekt/modul_2/bigpic_o2_2.htmhttp://www.uni-koeln.de/ew-fak/Chemie/uvm_projekt/modul_2/bigpic_o2_4.htm

5. Luft zum Atmen Der molekulare Sauerstoff

Nachteilig ist hierbei, dass die Doppelbindung nicht erkennbar ist und die Oktettregel

nicht erfllt ist. Weiterhin haben die Schler gerade gelernt, dass zwei Elektronen

zusammen ein Elektronenpaar in Form eines Striches darstellen. Dies ist in der

Diradikal-Schreibweise nicht gewhrleistet.

Insgesamt wird also in der Mittelstufe die Schreibweise, die in der Abb. 32 gewhlt

wurde, in Form einer didaktischen Reduktion, verwendet.

Will man in der Schule die genauen Bindungsverhltnisse des Sauerstoffmolekls

erklren, so kann dies in der Oberstufe in einem guten Leistungskurs mit Hilfe eines

vereinfachten Moleklorbitalmodells erfolgen.

__x*

__ __ y*, z*

__ __ __ __ __ __

2 px,y,z __ __ yb, zb 2 px,y,z

Atomorbitale __ xb Atomorbitale

O O

Moleklorbital 3O2

Abb. 34: Lokales Moleklorbitalmodell des Sauerstoffmolekls

Hier erkennen die Schler, dass die beiden brigen Elektronen nach der Besetzung

der bindenden Orbitale auf Grund der ihnen bekannten Hundschen Regel [36] nicht in

ein Orbital gesetzt werden knnen. Hieraus erklren sich der Paramagnetismus des

Disauerstoffs und die verschiedenen elektronischen Zustnde, auf die hier nicht nher

eingegangen wird.

Einige der bis jetzt genannten Eigenschaften kann man in der Schule zusammen-

fassend in einem Lehrerversuch, verndert nach [37], demonstrieren (vgl. Versuch 5

Eine sehr kalte, hellblaue Flssigkeit).

Hierbei wird mit Hilfe einer Khlfalle flssiger Disauerstoff (vgl. Versuch 5.1

Darstellung von flssigem, molekularem Sauerstoff) hergestellt.

Die blaue Flssigkeit kann man in einen mit Wasser gefllten Standzylinder geben

(vgl. Versuch 5.2 Sinkende blaue Blasen).

38

5. Luft zum Atmen Der molekulare Sauerstoff

Hierbei beobachten die Schler, dass die blauen Blasen nach unten sinken, aber direkt

wieder aufsteigen, da sich um sie eine Dampfhaut gasfrmigen Disauerstoffs bildet.

Weiterhin entstehen weie Nebel an der Wasseroberflche.

Fhrt man im Vergleich dazu denselben Versuch mit flssigem, molekularem

Stickstoff durch, erkennt man, dass dieser, im Gegensatz zum flssigen Disauerstoff,

auf der Wasseroberflche schwimmt. Es bildet sich ebenfalls Nebel aus. Zustzlich

entsteht noch Eis an der Wasseroberflche.

Das Absinken zeigt, dass der flssige Disauerstoff eine hhere Dichte, nmlich

1,140 g/cm3 (Siedepunkt), besitzt als Wasser, dessen Dichte bei 1 g/cm3 liegt.

Die Ausbildung der Dampfhaut sorgt allerdings fr Auftrieb, weshalb die blauen

Blasen direkt wieder nach oben sprudeln.

Der flssige Distickstoff hingegen besitzt eine geringere Dichte von 0,8076 g/cm3,

[16] weshalb er auf dem Wasser schwimmt.

Weiterhin zeigt der Versuch den Schlern, dass Stoffe beim Verdampfen Energie

bentigen und diese ihrer Umgebung entziehen (vgl. Exkurs in Kap. 10. Drei-

Minuten-Ei oder Fnf-Minuten-Ei?).

Beim Verdampfen des molekularen Stickstoffs wird deshalb an der Wasseroberflche

Eis gebildet. Beim Verdampfen des Disauerstoffs entsteht allerdings im Gegensatz

zur Beschreibung in [37] kein Eis.

Erklren kann man dies dadurch, dass der Disauerstoff im Standzylinder immer

wieder seine Position wechselt. Da er abwechselnd absinkt und aufsteigt, entzieht er

nicht an einer festen Stelle dem Wasser so viel Energie, dass es dort zu Eis erstarren

knnte.

Der gebildete Nebel ist fein verteiltes Eis in der Luft, wie es z.B. auch beim

Kondensstreifen von Flugzeugen am Himmel zu beobachten ist.

Mit dem im Versuch 5 hergestellten flssigen Disauerstoff kann man weiterhin

zeigen, dass die Oxidationskraft von molekularem, flssigem Sauerstoff (vgl.

Versuch 5.3 Achtung: Explosiv!) die des gasfrmigen Disauerstoffes, welche in

Versuch 4.2 Die Glimmspanprobe demonstriert wird, noch deutlich bersteigt.

Hierzu wird ein wenig flssiger Disauerstoff auf ein Stck Watte gegeben und

entzndet. In Abwandlung der Versuchsvorschrift [12] wird kein Kohlepulver dazu

gegeben, da die Reaktion auch ohne dieses sehr heftig abluft.

39

5. Luft zum Atmen Der molekulare Sauerstoff

Weiterhin kann man den Paramagnetismus von Disauerstoff, in Abwandlung von

[38], mit Hilfe des flssigen molekularen Sauerstoffs demonstrieren.

Dies kann in der Schule z.B. im Rahmen der Modellvorstellung zur chemischen

Bindung bei der Stabilitt von Komplexen im Leistungskurs der Jahrgangsstufe 13

im Wahlthema Komplexchemie geschehen. Der Versuch soll dann aufzeigen, dass

es auch einfache anorganische Molekle gibt, die paramagnetisch sind.

Bei der Durchfhrung des Versuches wird ein NMR-Rhrchen mit flssigem Di-

sauerstoff befllt. Das NMR-Rhrchen hngt man frei schwebend in eine Vorrichtung

direkt neben einen sehr starken Magneten. Auf Grund des Paramagnetismus wird der

Disauerstoff in das Magnetfeld hinein gezogen (vgl. Versuch 5.4 Ein Schuss in den

Magneten!).

In der Schule wird der Magnetismus im Sinne einer didaktischen Reduktion

dadurch erklrt, dass ungepaarte Elektronen vorhanden sind, die einen positiven Spin

haben und keinen Gegenpartner, der diesen kompensiert.

Die unterschiedlichen Arten von Magnetismus [39] werden hier der Vollstndigkeit

halber erwhnt, in der Schule aber nicht erlutert.

Man unterscheidet diamagnetische und paramagnetische Stoffe.

Diamagnetismus ist eine Eigenschaft der gesamten Materie, d.h. alle Verbindungen

mit besonderen magnetischen Eigenschaften sind auch diamagnetisch. Bringt man

einen diamagnetischen Stoff in ein inhomogenes Magnetfeld, wird dieses durch das

induzierte Gegenfeld geschwcht und dieser Stoff wird hinausgedrckt.

In paramagnetischen Stoffen sind die ungepaarten Elektronen so die Modell-

vorstellung kleine Elementarmagneten, die sich nach dem Magnetfeld ausrichten.

Bringt man einen paramagnetischen Stoff in ein inhomogenes Magnetfeld, wird das

Feld gestrkt und der Stoff wird, bis zu 103-mal strker als beim Diamagnetismus,

hineingezogen.

Abb. 35: diamagnetischer Stoff im Abb. 36: paramagnetischer Stoff im

inhomogenen Magnetfeld inhomogenen Magnetfeld

40

5. Luft zum Atmen Der molekulare Sauerstoff

Anti-ferromagnetismus, Ferrimagnetismus und Ferromagnetismus sind

Ordnungsphnomene des Paramagnetismus.

Anti ferromagnetische Stoffe sind im Normalzustand diamagnetisch, da sich die

Spins ihrer Elektronen kompensieren. Werden sie erwrmt, geraten diese in

Unordnung und erzeugen somit ein Magnetfeld. Beim Ferromagnetismus ergibt sich

das resultierende magnetische Moment daraus, dass die vorher in Domnen

geordneten Elementarmagneten durch Anlegen eines ueren Magnetfeldes

ausgerichtet werden. Betrachtet man ferrimagnetische Materie, ergibt sich der

Gesamtspin daraus, dass die Spins der Elektronen zwar gegeneinander ausgerichtet

sind, aber keine vollstndige Kompensation stattfindet.

Die beiden zuletzt genannten Ordnungsphnomene knnen durch Erhitzen wieder

zerstrt werden.

Nach der Erluterung der verschiedenen Eigenschaften des molekularen Sauerstoffes

wird im folgenden Kapitel der Kreislauf des Disauerstoffs beschrieben.

5.4 Atmung und Photosynthese Ein Disauerstoffkreislauf

Sauerstoff ist das hufigste Element der Erdrinde, des Meeres, der Biosphre und der

Luft. Er spielt neben dem im Folgenden erluterten Kreislauf in vielen Kreislufen

eine bedeutende Rolle, wie z.B. im Auf- und Abbau von Ozon nach dem Chapman-

Mechanismus, der in Kap. 8.4 Was passiert in der Stratosphre? besprochen wird.

Weiterhin durchluft er in gebundener Form den Carbonat- und den Wasserkreislauf

(vgl. Kap. 10.2 Der Wasserkreislauf).

Um zu beschreiben, welchen Kreislauf der

molekulare Sauerstoff durchluft, wird zunchst

die linke Abbildung betrachtet. Die Maus alleine

wrde wie die Kerze in Versuch 1.1 Eine Kerze

unter einer Glasglocke ersticken, da irgendwann

kein molekularer Sauerstoff mehr vorhanden ist. Er

wird nmlich bei der Atmung verbraucht. Abb. 37: Maus und Pflanze unter einer Glasglocke

41

5. Luft zum Atmen Der molekulare Sauerstoff

Dies fand Joseph Priestley gegen Ende des 18. Jahrhunderts heraus, indem er genau

solche Tierversuche durchfhrte. Die Tiere erstickten alleine durch die Tatsache,

dass sie atmeten. Durch Hinzugeben von grnen Pflanzen Priestley nahm

angeblich Minze wurde die Luft fr die Tiere wieder atembar [40].

Die Maus in der Glasglocke berlebt also nur, weil die Pflanze aus dem von der Maus

ausgeatmeten Kohlendioxid neuen Disauerstoff produziert. Diesen Vorgang gehrt

zur Photosynthese [31].

Den Zusammenhang zwischen der Atmung der Maus und der Photosynthese der

Pflanze kann man fr die Schler der Jahrgangsstufe 8 beim Thema Die chemische

Reaktion Stoffumsatz und Energieumsatz im fakultativen Unterrichtsinhalt

Einfhrung in die chemische Reaktion sehr vereinfacht in einem Kreislauf

darstellen [31].

Atmung

C6H12O6 + 6 O2(g)

Kohlenhydrate + Disauerstoff

(z.B. Glucose) 6 CO2(g) + 6 H2O + E

Kohlendioxid + Wasser + Energie

Photosynthese

Abb. 38: Darstellung und Verbrauch von Disauerstoff: Atmung und Photosynthese

In der Jahrgangsstufe 8 msste man im obigen Kreislauf zunchst auf die

Summenformel verzichten, da sie erst in Jahrgangsstufe 9 eingefhrt wird. Dort

verwendet man bei der Formulierung der Reaktionsgleichung, damit sie nicht zu

kompliziert wird, die Glucose als einfaches Kohlenhydrat.

42

5. Luft zum Atmen Der molekulare Sauerstoff

Da der Anteil an molekularem Sauerstoff in der Atmosphre, wie zu Anfang des

Kapitels besprochen, konstant bei 21 % liegt, mssen gleich viele Assimilations- wie

Dissimilationsvorgnge ablaufen. Neben der Atmung wird der Disauerstoff weiterhin

beim Verwesen [31] und ebenso bei groen Waldbrnden, wie sie im Sommer 2006

z.B. in Spanien gewtet haben, verbraucht, da die Verbrennung, wie in Kapitel 5.1

,Feuerluft ,Lebensluft ,Oxygen diskutiert, eine Oxidation unter Sauerstoff-

verbrauch darstellt. Gebildet wird molekularer Sauerstoff in der Natur hauptschlich

durch die schon erwhnte Photosynthese in Pflanzen, z.B. in immensem Mae in den

Regenwldern, die deshalb informell als Grne Lunge der Erde bezeichnet werden.

Was passiert, wenn dieses Gleichgewicht gestrt wird, d.h. zu wenig Sauerstoff

produziert bzw. zu viel verbraucht wird, wird in Kapitel 12.4 Der anthropogene

Treibhauseffekt erlutert.

In der Oberstufe, am besten in Zusammen-

arbeit mit einem Biologie-Leistungskurs,

kann man fcherbergreifend die

tiefergehenden chemischen und bio-

logischen Zusammenhnge der Photo-

synthese besprechen. Darauf wird aber

hier nicht nher eingegangen. Abb. 39: Chlorophyll a und b

Mchte man das Thema Atmung im Schulunterricht genauer besprechen, kann dies

z.B. durch die folgende aktuelle Meldung spannend gestaltet werden.

30. Juli. 2006: Der Deutsche Astronaut [Thomas] Reiter kommt zu seinem Aueneinsatz im

All. [] Bevor die beiden [er und sein Kollege Williams] kurz vor 16.00 Uhr MESZ aus der

Druckkammer schweben, gibt es eine geballte Ladung Hochprozentiges. 40 Minuten atmen

Reiter und sein Kollege Williams puren Sauerstoff ein, um Stickstoff aus dem Blutkreislauf zu

splen. `Das verhindert die so genannte Taucherkrankheit. [41]

EXKURS: Was passiert in unserer Lunge?

In der Luft sind 21 % Disauerstoff enthalten. Misst man seinen Gehalt in der ausge-

atmeten Luft, kann man feststellen, dass noch rund 16 % molekularer Sauerstoff

enthalten sind [32].

43

5. Luft zum Atmen Der molekulare Sauerstoff

Also wird in unserem Krper nur ein Teil des eingeatmeten Disauerstoffes

verbraucht, z.B. bei einem Atemzugvolumen im Ruhezustand von 0,5 L Luft [32] nur

25 mL Disauerstoff. Dies ist z.B. der Grund, weshalb eine Mund-zu-Mund Beatmung

in der Medizin mglich ist: Es ist noch gengend Disauerstoff in der ausgeatmeten

Luft vorhanden, den der Patient aufnehmen kann.

Bei der Atmung geschieht Folgendes:

Die Luft wird durch die Nase oder den Mund aufge-

nommen. Sie strmt ber den Rachen, durch den

geffneten Kehldeckel und die Luftrhre in die Lunge.

ber d