Die chemische Luftnummer

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Ella Egger
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1 Die chemische Luftnummer Es liegt was in der Luft - aber was? Prof. Dr. Matthias Tamm und Mitarbeiter Institut für Anorganische und Analytische Chemie

2 Die Lufthülle unsere Erdatmosphäre Die Luft ist mehr als nichts!

3 Luft chemische Zusammensetzung Bis Ende des 18.Jahrhunderts galt Luft neben Feuer, Wasser und Erde als eines der vier Urelemente! Abgesehen vom Wasserdampf ist die Luftzusammensetzung bis in 100 km Höhe konstant.

4 Luft chemische Zusammensetzung Bestandteil Volumenanteil in % Volumenanteil in 5000 m 3 Stickstoff, N 2 78, ,5 m 3 Sauerstoff, O 2 20, ,5 m 3 Argon, Ar 0,934 46,5 m 3 Kohlenstoffdioxid, CO 2 0,036 1,5 m 3 Neon 0, l Helium 0, l Krypton 0, l Xenon 0, ,45 l Radon ml

Argon, Ar 0,934 46,5 m 3 Kohlenstoffdioxid, CO 2 0,036 1,5 m 3 Neon 0,0018 80 l

Phlogistontheorie nach Georg Ernst Stahl (1659-1731) Phlogiston ( Luft ): körperlose Energie, die

1772 phlogistische Luft 1778 vitale Luft Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) 1772 Feuerluft und

5 Phlogistontheorie nach Georg Ernst Stahl ( ) Phlogiston ( Luft ): körperlose Energie, die allen brennbaren Körpern innewohnt und beim Verbrennen entweicht phlogistische Luft 1778 vitale Luft Carl Wilhelm Scheele ( ) 1772 Feuerluft und verdorbene Luft Joseph Priestley ( ) 1774 dephlogisticated air Daniel Rutherford ( ) Experimente mit einer Maus spezielles Brennglas

6 Widerlegung der Phlogistontheorie in einem Schauprozeß wurde Phlogiston vom Sauerstoff angeklagt und gehängt 1774 Elementcharakter von oxygenium 1785 principe oxygène = Prinzip der Oxidation Lavoisiers berühmte Apparatur zur Darstellung von Sauerstoff 1789 Antoine Laurent de Lavoisier ( ) mit seiner Frau Marie Traitè èlèmentaire de chimie Methoden der chemischen Nomenklatur Feuerluft oder Lebensluft = Sauerstoff Stickluft oder verdorbene Luft = Stickstoff

Darstellung von Sauerstoff 1789 Antoine Laurent de Lavoisier (1743-1794) mit seiner Frau Marie Traitè èlèmentaire de

7 Luftverflüssigung das Linde-Verfahren (1895) Luftzusammensetzung Vol.-% Carl von Linde ( ) Stickstoff Sauerstoff Edelgase Kohlendioxid 78,09 20,95 0,93 0,03 Siedepunkt des Stickstoffs (N 2 ) = -195 C Siedepunkt des Sauerstoffs (O 2 ) = -183 C Fraktionen bei der Rektifikation He -269 Ne -246 N Ar -186 O Kr -153 Xe -108 C

0,93 0,03 Siedepunkt des Stickstoffs (N 2 ) = -195 C Siedepunkt des Sauerstoffs (O 2

8 Molekularer Stickstoff (N 2 ) - Hauptbestandteil der Luft Das Elementsymbol N leitet sich vom lateinischen Nitrogenium (= Salpeterbildner) ab. Die deutsche Bezeichnung Stickstoff erinnert daran, dass in reinen N 2 eine Flamme erlischt und Lebewesen ersticken. farb- und geruchloses Gas N 2 ist aufgrund der Dreifachbindung N N chemisch sehr stabil. Stickstoff ist für jedes Leben unentbehrlich (wesentliches Element in Proteinen, DNA, Enzymen), kann aber nur von wenigen Mikroorganismen direkt aus der Luft genutzt werden. Der Stickstoff wird daher in einem energieintensiven Prozess organisch gebunden und somit für Pflanzen und Tiere verfügbar gemacht (Stickstoffkreislauf).

farb- und geruchloses Gas N 2 ist aufgrund der Dreifachbindung N N chemisch sehr stabil.

9 Ammoniaksynthese das Haber-Bosch-Verfahren N H 2 2 NH kj/mol Ammoniak (NH 3 ) ist eines der häufigsten Produkte der chemischen Industrie. Heute beträgt die Weltjahresproduktion ca. 125 Millionen Tonnen. Fast 90% wird zur Herstellung von Düngemitteln verwandt. 2 Nobelpreise für den Griff in die Luft Fritz Haber ( ) Nobelpreis 1918 Carl Bosch ( ) Nobelpreis 1931 moderner Hochdruckreaktor

125 Millionen Tonnen. Fast 90% wird zur Herstellung von Düngemitteln verwandt.

10 Ammoniumnitrat Dünger und Sprengstoff NH 3 + HNO 3 NH 4 NO 3 Ostwald-Verfahren 93,4 Mio. t N-Dünger 2005/ Mio. t Getreideeinheiten Nahrung für ca. 50% der Weltbevölkerung aus Luft Brot machen!

11 Ammoniumnitrat Dünger und Sprengstoff NH 4 NO 3 N H 2 O + ½ O 2 Ausgewählte Katastrophen mit NH 4 NO Explosion des Oppauer Stickstoffwerkes 1995 Bombenanschlag in Oklahoma City 2001 Explosion einer Düngemittelfabrik in Toulouse 2004 Zugunglück von Ryongchŏn in Nordkorea

Stickstoffwerkes 1995 Bombenanschlag in Oklahoma City 2001 Explosion

12 Der Sauerstoff das häufigste Element auf der Erde! Disauerstoff (O2): - zweiatomiges Molekül - farb- und geruchloses Gas - in der Luft zu 20,942 % enthalten - wird für chemische Verbrennungsvorgänge und biologische Atmung benötigt - in Wasser nur wenig löslich O2(l) bei T = -183 C ist hellblau. Elektronenanordnungen für Singulett- und Triplett-Sauerstoff

20,942 % enthalten - wird für chemische Verbrennungsvorgänge und biologische Atmung

13 Ozon bestehend aus drei Sauerstoffatomen Ozon (O3): - blaues, charakteristisch riechendes Gas - instabiles, chemisch sehr reaktives Molekül - kommt nur in Spuren (ca. 2 x 10-6 %) vor - absorbiert in der Stratosphäre (15-50 km Höhe) die gefährliche UV-B-Strahlung - bodennahes Ozon ist giftig O3 (-111 C) ist dunkelblau Nachthimmel die blaue Stunde - die Stunde des Ozons

2 x 10-6 %) vor - absorbiert in der Stratosphäre (15-50 km Höhe) die gefährliche

14 Ozon Sauerstoff - Zyklus Ozon absorbiert UV-Strahlung zwischen 220 und 280 nm sehr stark und die Ozonschicht (max. O 3 -Konzentration in 20 bis 25 km Höhe) ist eine lebensnotwendige Schutzschicht für alles Leben auf der Erde. Ozonzerfall durch UV-Strahlung Freie Radikale z.b. OH, NO, Cl, Br führen zum Ozonabbau Ozonloch. Gleichgewicht in der Stratosphäre O 3 O 2 + O Ozonbildung unter Wärmeabgabe Ozonloch über der Antarktis The Nobel Prize in Chemistry 1995 Paul Crutzen, Mario Molina, F.Sherwood Rowland für ihre Arbeiten zur Chemie der Atmosphäre, insbesondere über Bildung und Abbau von Ozon.

Ozonzerfall durch UV-Strahlung Freie Radikale z.b. OH, NO, Cl, Br führen zum Ozonabbau Ozonloch.

15 Edelgase Anteil in trockener Luft - einatomige Gase - sehr reaktionsträge (inert) - farb- und geruchlos, nicht brennbar Bestandteil Volumenanteil in % Stickstoff, N 2 78,08 Sauerstoff, O 2 20,95 Argon, Ar 0,934 Kohlenstoffdioxid, CO 2 0,036 Neon, Ne 0,0018 Helium, He 0,0005 Krypton, Kr 0,0001 Xenon, Xe 0, Radon, Rn Die Edelgase werden durch Luftverflüssigung dargestellt. Ar ist aufgrund seiner Häufigkeit das preiswerteste Edelgas. He ist nach H das zweithäufigste Element im Universum. Rn (radioaktiv!) ist das seltenste Gas in der Erdatmosphäre.

0,0005 Krypton, Kr 0,0001 Xenon, Xe 0,000009 Radon, Rn 6 10-18 Die Edelgase werden durch Luftverflüssigung dargestellt.

16 Edelgase brought unexpected and unwelcome, like the cuckoo 1884 Argon und 1885 Helium Henry Cavendish ( ) kleine unreaktive Gasblase Lord Raleigh ( ) Nobelpreis für Physik 1904 Sir William Ramsey ( ) Nobelpreis für Chemie 1904 Morris William Travers ( ): gemeinsam mit W. Ramsay entdeckte er von 1894 bis 1908 Ne, Kr, Xe

Nobelpreis für Physik 1904 Sir William Ramsey (1852 1916) Nobelpreis für Chemie 1904

17 Edelgase Verwendung Neonröhre d(he) = 0,1785 g/l d(luft) = 1,2928 g/l Füllgas 85% Ar, 15% N 2 Handschuhkasten (Glovebox) mit Argonfüllung

( Feuerlöscher) 40-mal höhere Löslichkeit in Wasser als Sauerstoff ( Erfrischungsgetränke) Joseph Black (1728-1799) Der

18 Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) Entdeckung und Bedeutung CO 2 ist ein farb- und geruchloses Gas und zu 0,03 % natürlicher Bestandteil der Luft. CO 2 ist schwerer als Luft und verdrängt dadurch O 2 vom Brandherd. ( Feuerlöscher) 40-mal höhere Löslichkeit in Wasser als Sauerstoff ( Erfrischungsgetränke) Joseph Black ( ) Der Mediziner entdeckte 1754 das CO 2 bei seiner Suche nach einem Mittel gegen Nierensteine. MgCO 3 MgO + CO 2 Festes CO 2 (Trockeneis) schmilzt nicht, sondern sublimiert bei -78 C.

Mensch atmet in 24h rund 1kg CO 2 aus! Große Mengen CO 2 liegen fixiert in Form schwerlöslicher Carbonate vor (Kreide, Marmor, etc.

19 Kohlenstoffdioxid Der Kohlenstoffkreislauf Die biologische Hauptbedeutung des CO 2 liegt in seiner Rolle als Kohlenstoff-Lieferant. Photosynthese der Pflanzen 2 2 Lichtabhängiger Stoffwechselzyklus CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 Atmung von Tieren / Menschen Ein erwachsener Mensch atmet in 24h rund 1kg CO 2 aus! Große Mengen CO 2 liegen fixiert in Form schwerlöslicher Carbonate vor (Kreide, Marmor, etc.) CO 2 ist in hohem Maße für das lebensfreundliche Klima auf der Erde mitverantwortlich, da es einen Teil der Wärmestrahlung absorbiert. Genau diese Eigenschaft macht Kohlendioxid aber auch zu einem sogenannten Treibhausgas.

20 Der Treibhauseffekt nicht nur schlecht! Wärmestrahlung wird durch die Erdatmosphäre festgehalten ; ohne Treibhauseffekt, verursacht durch die Spurengase Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Methan, Ozon etc., betrüge die Temperatur auf der Erde durchschnittlich -18 C gegenüber einer heutigen Durchschnittstemperatur von +15 C; der anthropogene Anteil beträgt ca. 0,6 C.

durch die Spurengase Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Methan, Ozon etc.

21 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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