Das Thema Luft im naturwissenschaftlichen Unterricht Luftverschmutzung

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1 Seminar für Didaktik und Lehrerbildung (Realschule) Reutlingen NWA Tag November 2010 Das Thema Luft im naturwissenschaftlichen Unterricht Luftverschmutzung Anika Rieker, Nina Rückert, Stefanie Wolf

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung 3 2 Bildungsplanbezug 4 3 Lernziele 4 4 Didaktisch-methodische Überlegungen 4 5 Versuche 5 6 Arbeitsmaterialien 9 7 Literatur 12 2

3 1 Einführung Das Thema Luftverschmutzung und deren Auswirkungen auf unsere Umwelt sind ein präsentes Thema in den Medien und in der öffentlichen Diskussion. Ohne Luft können wir nicht leben. Daher ist es sehr wichtig, zu wissen, wie der Mensch die Luft verschmutzt, welche Auswirkungen das hat und was dagegen unternommen werden kann. Das Thema Luftverschmutzung kann im Unterricht in folgende drei Bereiche geteilt werden: Luftschadstoffe, Verursacher der Luftverschmutzung und Folgen der Luftverschmutzung. Zu den Luftschadstoffen, die für den Unterricht relevant sein können, zählen Schwefeldioxid, Feinstaub, FCKW, Ozon und Kohlenwasserstoffe. Dabei kann in Klasse 6 das Augenmerk speziell auf Staub und Schwefeldioxid (vgl. saurer Regen) gelegt werden. Verursacher für Luftverschmutzung können natürliche Quellen, wie Vulkane oder Wald-brände und natürlich die Industrie sein. Hier kann auch speziell auf die Problematik in Industriestaaten und Energieerzeugung eingegangen werden. Die Folgen der Luftverschmutzung lassen sich in Smog, Feinstaub, saurem Regen und gesundheitlichen Schäden finden. Staub Schwefeldioxid Luftschadstoffe Ozon FCKW Energiegewinnung natürliche Quellen Verursacher Industrie Kohlenwasserstoffe Verkehr LUFTVERSCHMUTZUN G Grenzwerte Saurer Regen Filteranlagen Maßnahmen Folgen Smog Feinstaubplakette/ Feinstaub Autokatalysator Umweltzonen Gesundheitsschäden 3

4 In dieser Ausarbeitung haben wir uns auf Smog und sauren Regen beschränkt. 2 Bildungsplanbezug Im Bildungsplan findet sich das Thema Luft in einer Auflistung für den Kompetenzerwerb im themenorientierten Unterricht der Klassen 5 bis 7. Das Thema Luftverschmutzung kann innerhalb dieser Einheit beispielsweise in Klasse 6 behandelt werden. Dabei lernen Schüler durch Experimente und Informationen Antworten und Erkenntnisse, um zur Erhaltung der Gesundheit und zum Schutz der Mitwelt verantwortungsvoll zu handeln. 3 Lernziele Die Schüler wissen, was Smog ist und wie er entstehen kann. Die Schüler können mögliche Auswirkungen von Smog benennen. Die Schüler können den Zusammenhang zwischen Smog und saurem Regen verbalisieren. Die Schüler können die Auswirkungen des sauren Regens auf ihre Umwelt, beispielsweise Häuser, Brücken, Statuen, experimentell erfahren. Schüler können Experimente auf ihre Umwelt übertragen. 4 Didaktisch-methodische Überlegungen Das Thema Luft und damit verbunden Luftverschmutzung ist hier für eine sechste Klasse konzipiert. Es wird exemplarisch am Thema SMOG und saurer Regen erarbeitet. Bei der Erarbeitung mittels Schülerexperimenten wird nur ein Luftschadstoff verwendet. Bei der Entstehung von SMOG, sowie Winter- und Sommersmog wird auf Chemikalien gänzlich verzichtet und mit einem Räucherkegel gearbeitet. Bei der Verbrennung von Kohle entsteht Kohlenstoffdioxid. Dies kann in Wasser eingeleitet werden und mit Hilfe von Universalindikator die saure Wirkung und somit die Entstehung von saurem Regen erklärt werden. Als Lehrerdemonstrationsversuch kann auch Schwefel unter dem Abzug verbrannt werden. Eine weitere Alternative wäre das Verbrennen von Wunderkerzen, dabei entsteht Stickstoffdioxid. Alternativ zum vorgegeben Versuch könnte man die Schüler und Schülerinnen nach eingehender Sachinformation auch selbst einen Versuch zur Bildung von saurem Regen entwickeln lassen. 4

5 Die fachpraktischen Arbeitsweisen experimentieren und beobachten gehören zur fachlichen Grundbildung im naturwissenschaftlichen Unterricht. Anhand von den ausgewählten Versuchen sollen sich die Schülerinnen und Schüler ihr Wissen selbstständig erarbeiten. Die Vorgehensweise beim Versuch ist daher festgelegt. Die Schülerinnen und Schüler müssen lediglich die Versuche selbstständig durchführen und ziehen aus den Versuchen ihre Erkenntnisse. Die Versuche wurden ausgewählt, da sie einfach, anschaulich und dem Alter der Klasse 6 entsprechend sind. Außerdem werden die Versuche in Gruppen von 3 bis 4 Personen durchgeführt, dadurch soll die Selbstständigkeit, die soziale Kompetenzen, sowie die Eigenaktivität der Schülerinnen und Schüler gefördert werden. Die Schülerinnen und Schüler werden zudem durch die Versuche motiviert am Unterrichtsgeschehen teilzunehmen. 5 Versuche Versuch 1: Entstehung von Wintersmog Smog kommt aus dem Englischen von den Wörtern smoke (Rauch) und fog (Nebel) und ist eine spezielle Art der Luftverschmutzung, die durch die Verbrennungsabgase von Autos und der Industrie verursacht wird. Die Luftverschmutzung wird durch Ruß, Schwefeldioxid, Staub und Nebel gebildet. Durch eine Inversionswetterlage, bei der sich eine warme Luftschicht über die kalte Luftschicht auf der Erdoberfläche schiebt und stagnierender Luftbewegung, gelangen die Abgase nicht mehr in höhere Schichten der Atmosphäre. Die Abgase reichern sich dadurch in Bodennähe an. Es entsteht eine Dunstglocke über Industriestädten und Großstädten. Smog ist gesundheitsschädlich. Eine zu hohe Kohlenstoffmonoxidkonzentration führt zu Kopfschmerzen und Übelkeit. Belastend für das Herz-/Kreislaufsystem ist eine zu hohe Feinstaubkonzentration. Die Schleimhäute werden durch die Stickoxide gereizt und können im schlimmsten Fall zu chronischen Atemwegserkrankungen führen. Geräte: - 2 große Bechergläser - 2 Standzylinder - Feuerzeug - Thermometer - Wasserkocher - Schutzbrille Chemikalien: - 2 Räucherkegel (als Alternative können auch Räucherstäbchen verwendet werden) - Eis - Kochsalz - Wasser 5

6 Versuchsaufbau: Versuchsdurchführung: 1. Bechergläser jeweils zur Hälfte füllen. Eines mit heißem Wasser, das andere mit einer Kältemischung aus Kochsalz und Eis. 2. Jeweils einen Standzylinder in ein Becherglas stellen. 3. Nach 3 Minuten wird die Temperatur im unteren und oberen Bereich der Standzylinder gemessen. Die Temperaturen werden notiert. 4. Jeweils ein glimmender Räucherkegel wird jetzt in den Standzylinder gegeben. Die Beobachtungen werden notiert. Achtung: Der Versuch mit der Kältemischung benötigt 4 Minuten, bis der gewünschte Effekt sichtbar wird. Versuch 2: Nachweis der Bildung des sauren Regens Saurer Regen ist ein Endprodukt einfacher Verbrennungsvorgänge, wie sie beispielsweise in einem Automotor stattfinden. Mit diesem Versuch kann die Bildung des sauren Regens nachgewiesen werden. Unbelastetes Regenwasser hat einen ph-wert um 5 und kommt allein durch den Kohlenstoffdioxidgehalt CO2 der Luft zustande. Sind in der Atmosphäre allerdings weitere Schadstoffe wie beispielsweise SOx und NOx, können diese mit dem Regenwasser zu Säuren reagieren, so sinkt der ph-wert weiter ab. (vgl. Linder Biologie S. 123) Die Schwefeloxide entstehen hauptsächlich bei der Verbrennung von Kohle und Erdölderivaten (Kohle enthält meist zwischen 0,5 und 2% Schwefel). Auch aus natürlichen Quellen gelangen beispielsweise Schwefeloxide durch Vulkanismus in die Atmosphäre. Schwefeldioxid bildet mit der Feuchtigkeit der Luft schweflige Säure, welches zu Schwefelsäure oxidiert wird. Die Staubteilchen wirken dabei als Katalysatoren. Schwefeldioxid stellt eine ernste Belastung der Atmosphäre dar. Es ist ein Atemgift und schädigt die Vegetation. Die anthropogenen Stickstoffoxide 6

7 stammen hauptsächlich aus den Verbrennungsgasen der Automotoren. (vgl. Mortimer Chemie S. 438) Versuchsdurchführung Material: Wasser, Universalindikator, Kohle (oder Schwefel oder Wunderkerze), Standzylinder, Glasdeckel, Kartuschenbrenner, Streichhölzer, Verbrennungslöffel, Schutzbrille. Durchführung: In einen Standzylinder wird ca. 5 cm hoch Leitungswasser gegeben und dieses mit ein paar Tropfen Universalindikator versetzt. Auf den Verbrennungslöffel wird Kohle gegeben und in der nicht leuchtenden Brennerflamme erhitzt. Die brennende Kohle wird in den Standzylinder über das Wasser gehalten. Nachdem Erlöschen der Kohle wird der Sandzylinder mit dem Glasdeckel verschlossen und gut geschüttelt. Beobachtung: Die Farbe des Universalindikators verändert sich von grün nach rot orange. Erklärung: C + O2 CO2 + H2O CO2 H2CO3 Versuch 3: Auswirkung von saurem Regen auf Kalkstein Bei Verbrennungen können Abgase wie zum Beispiel Stickstoffdioxid oder Schwefeldioxid entstehen. Sie können Verbindungen mit der Luftfeuchtigkeit eingehen und Säuren bilden. Dadurch entsteht saurer Regen, der für das Atmungssystem, für Waldbäume und viele Pflanzen schädlich sein kann. Die Hauptbestandteile des sauren Regens sind die Salpetersäure (HNO3) und die Schwefelsäure (H2SO4). 7

8 Saurer Regen macht den Boden sauer und kann giftige Metallionen freisetzen. Waldschäden auf Grund von saurem Regen sind beispielsweise im Schwarzwald ein ernstes Problem. In den höheren Lagen Deutschlands ist fast jeder zweite Baum geschädigt. Kalkhaltige Mauerwerke werden durch Schwefelsäure brüchig. Dadurch werden Bauwerke, Brücken, Hausfassaden und Steinfiguren beschädigt. Die Schwefelsäure reagiert mit Kalk zu Kohlenstoffdioxid und Calciumsulfat (Gips). Dieser Gips wird mit der Zeit porös und zerfällt, wenn er Wasser aufnimmt. Versuchsmaterialien: Erlenmeyerkolben 100 ml Becherglas Doppelwinkelrohr Durchbohrter Stopfen Kalkstein (Marmorstückchen) Versuchsanleitung: 1. Gib einige Kalksteinstücke in einen Erlenmeyerkolben und benetze die Kalksteinstücke mit verdünnter Schwefelsäure. 2. Verschließe den Kolben mit einem durchbohrten Stopfen und einem Doppelwinkelrohr, das in ein mit Kalkwasser gefülltes Becherglas führt. Beobachtung: Auf dem Kalkstein bilden sich Bläschen. Es ist ein Zischen zu hören. Deutung: Kalkstein und verdünnte Schwefelsäure reagieren zu Gips, Wasser und Kohlenstoffdioxid. Die Bläschenbildung entsteht durch das aufsteigende Kohlenstoffdioxid, dabei ist ein Zischen zu hören. Der Gips wird durch das Wasser gelöst und wäscht ihn vom Kalkstein ab. In der Oberfläche entstehen dabei Risse. Kalksteine werden so von saurem Regen angegriffen. Schwefelsäure und Calciumcarbonat (Kalkstein) reagieren zum Calciumsulfat (Gips), Wasser und Kohlenstoffdioxid. 6 Arbeitsmaterialien 8

9 Entstehung von Wintersmog Geräte: - 2 große Bechergläser - 2 Standzylinder - Feuerzeug - Thermometer - Wasserkocher - Schutzbrille Chemikalien: - 2 Räucherkegel (als Alternative können auch Räucherstäbchen verwendet werden) - Eis - Kochsalz - Wasser Versuchsdurchführung: 1. Bechergläser jeweils zur Hälfte füllen. Eines mit heißem Wasser, das andere mit einer Kältemischung aus Kochsalz und Eis. 2. Jeweils einen Standzylinder in ein Becherglas stellen. 3. Nach 3 Minuten wird die Temperatur im unteren und oberen Bereich der Standzylinder gemessen. Die Temperaturen werden notiert. 4. Jeweils ein glimmender Räucherkegel wird jetzt in den Standzylinder gegeben. Die Beobachtungen werden notiert. Achtung: Der Versuch mit der Kältemischung benötigt 4 Minuten, bis der gewünschte Effekt sichtbar wird. Beobachtung: Ergebnis: 9

10 Regen wäscht die Luft sauber Material: Wasser, Universalindikator, Kohle (oder Schwefel oder Wunderkerze), Standzylinder, Glasdeckel, Kartuschenbrenner, Streichhölzer, Verbrennungslöffel, Schutzbrille. Versuchsbeschreibung: Gin in einen Standzylinder ca. 5 cm hoch Leitungswasser und gib ein paar Tropfen Universalindikator hinzu. Auf den Verbrennungslöffel wird Kohle gegeben und in der nicht leuchtenden Brennerflamme erhitzt. Die brennende Kohle wird in den Standzylinder über das Wasser gehalten. Nachdem Erlöschen der Kohle wird der Sandzylinder mit dem Glasdeckel verschlossen und gut geschüttelt. Skizze: Beobachtung: Ergebnis: Erkläre was wohl mit der Überschrift Regen wäscht die Luft sauber gemeint ist. 10

11 Auswirkung von saurem Regen auf Kalkstein Versuchsmaterialien: Schutzbrille Erlenmeyerkolben 100 ml Becherglas Doppelwinkelrohr Durchbohrter Stopfen Kalkstein (Marmorstückchen) Versuchsanleitung: 1. Gib einige Kalksteinstücke in einen Erlenmeyerkolben und benetze die Kalksteinstücke mit verdünnter Schwefelsäure. 2. Verschließe den Kolben mit einem durchbohrten Stopfen und einem Doppelwinkelrohr, das in ein mit Kalkwasser gefülltes Becherglas führt? Welche Veränderungen sind nach kurzer Zeit zu beobachten? Welche Bedeutung hat das für eine Statue aus Marmor (Kalkstein) im Freien? Nenne weiter Bauwerke, die von den Folgen des sauren Regens betroffen sein können. 11

12 7 Literatur Blume, Rüdiger; Eilks, Ingo: Interaktiv Chemie Gesamtband. Realschule Baden- Württemberg. Berlin (2007): Cornelsen Verlag. Greb, Ernst; Kemper, Alfred; Quinzler, Gottfried: umwelt: chemie 8-10 Baden- Württemberg. Stuttgart (2002): Ernst Klett Verlag. Frühauf, Dieter; Tegen, Hans: ERLEBNIS Naturwissenschaft 3 Chemie. Braunschweig (2005): Schroedel Verlag. Linder, H., Knodel, H. (1988): Biologie. Lehrbuch für die Oberstufe. Stuttgart: Metzler. Ministerium für Jugend, Kultus und Sport: Bildungsplan Realschule. Mortimer, C., Müller, U. (2007): Chemie. Stuttgart: Thieme. Internetquellen: (Stand: ) adid=41054&oldaction=search&searchstring=smog&searchtype=materials&sear chfach=0 ( ) 12