Chemie der Atmosphäre

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1 Chemie der Atmosphäre Versuche zum Treibhauseffekt und Ozon Steffen Auer Stefan Schroth Inhalt: 1. Einleitung 2. Absorption von Wärmestrahlung 3. Emission von Wärmestrahlung 4. Absorption von Wärmestrahlung durch Gase 5. Darstellung von Ozon durch Elektrolyse von Schwefelsäure 6. Nachweis von Ozon mittels UV-Lampe 7. Zerstörung von Gummi durch Ozon 8. Wirkung von Ozon auf Pflanzen Einleitung Die von der Sonne ausgesandte Strahlung (fast ausschließlich sichtbare und nahe Infrarotstrahlung) wird vom Erdboden absorbiert und in Wärme umgewandelt. Die Erde sendet nun Strahlung einer anderen Wellenlänge aus, die wiederum von verschiedenen Spurengasen absorbiert wird. Diese Gase erwärme sich, was zu einem Temperaturanstieg in der Atmosphäre führt, und emittieren ebenfalls Strahlung in alle Richtungen; also auch wieder auf die Erde, wodurch diese erneut erwärmt wird. Nun wiederholt sich dieser Kreislauf, was zu einer Erhöhung der globalen Durchschnittstemperatur führt zum sog. Treibhauseffekt. Die Versuche stammen weitgehend aus dem Artikel: Berücksichtigung von Reflexion und Remission von Wärmestrahlung in Modellexperimenten zum Treibhauseffekt von Dr. Ilka Parchmann. Erschienen in der Zeitschrift MNU 51/1. 1. Absorption von Wärmestrahlung Es soll untersucht werden, ob die Absorption von Wärmestrahlung von der Farbe des bestrahlten Gegenstandes abhängt. Material Vorbereitung blankes Eisenblech Thermoelement mit Messgerät Bunsenbrenner Aluminiumfolie Kerze Klebeband Seite 1 von 6

2 Man befestigt mit einem Klebeband ein Thermoelement hinter einem Eisenblech. Von der anderen Seite wird Aluminiumfolie gegen das Thermoelement geklebt, um andere Strahlungen zu reflektieren. Nun befestigt man das Aluminiumblech 10cm von einer nichtleuchtenden Bunsenbrennerflamme entfernt. Analog dazu kann das Blech berußt werden. Versuchsaufbau Man registriert jede Minute die Temperatur. Der Versuch wird mit einem berußten Blech wiederholt. Messwerte blankes Eisenblech t[min] J[ C] 27,8 28,9 30,2 31,2 32,1 DJ[ C] -- 1,1 2,4 3,4 4,3 berußtes Eisenblech t[min] J[ C] 27,9 30,1 32,5 34,5 35,9 DJ[ C] -- 2,2 4,6 6,6 8 Körper mit schwarzen Oberflächen absorbieren Wärmestrahlung etwa doppelt so gut wie metallisch glänzende Oberflächen. 2. Emission von Wärmestrahlung Es soll untersucht werden, ob die Emission von Wärmestrahlung von der Farbe des strahlten Gegenstandes abhängt. Heizplatte 500W (z.b. Magnetheizrührer) Thermoelement Weißblechdose mit Loch schwarze Pappe Klebeband Kerze In die Dose wird mit einem größeren Nagel und Hammer 5mm über dem Dosenboden ein Loch geklopft. In dieses Loch steckt man das Thermoelement und befestigt es auf dem Boden der Dose. Zur besseren Absorption wird schwarze Pappe auf das Thermoelement geklebt. 10cm von der Dose entfernt wird eine vorgeheizte, blanke Heizplatteaufgestellt. Man registriert alle 30s die Temperatur des Thermoelements. Der Versuch wird mit berußter Heizplatte wiederholt. Versuchsaufbau Seite 2 von 6

3 Messwerte blanke Heizplatte t[min] 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 J[ C] 28,0 29,5 33,1 37,3 41,1 44,5 47,7 50,6 53,2 DJ[ C] -- 1,5 5,1 9,3 13,1 16,5 19,7 22,6 25,2 berußte Heizplatte t[min] 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 J[ C] 28,4 31,6 36,9 42,9 48,4 53,2 57,3 60,9 64,4 DJ[ C] -- 3,2 8,5 14,5 20,0 24,8 28,9 32,5 36,0 Körper mit schwarzen Oberflächen emittieren Wärmestrahlung etwa 1,5-mal so gut wie metallisch glänzende Oberflächen. Bemerkung: Sehr viel Wärme wird vom Metallgehäuse unserer Dose aufgenommen, wodurch das Messergebnis vermutlich verfälscht wird. Wenn man die Weißblechdose durch einen Kunststoffbehälter ersetzen würde, wäre eine Fehlerquelle ausgeschaltet. 3. Absorption von Wärmestrahlung durch Gase Bei diesem Versuch handelt es sich um ein Modellexperiment zum Treibhauseffekt. Dabei soll die Remission (Absorption) von Wärmestrahlung durch Gase untersucht werden. 250 W Halogenlampe (ersatzweise ein 500 W Baustrahler) Kristallisierschale (Ø = 22cm) mit Wasser 700 ml Polyethylenflasche 2 Kunststoffröhrchen (z.b. Schlauchadapter) 2 Schlauchstücke mit Schlauchklemmen Styroporgefäß, in das die PE-Flasche passt 2 Thermoelemente mit Messgerät schwarze Pappe Polyethylenfolie (PE Haushaltsfolie) Kohlenstoffdioxid ggf. weitere treibhausrelevante Gase Vorbereitung Man schneidet die PE-Flasche oben auf und trennt von dem erhaltenen Becher oben einen schmalen Ring ab. Anschließend trennt man von dem verbleibenden Becher nochmals die obere Hälfte ab. Nun schneidet man ein Stück schwarze Pappe so zu, das sie den Boden der PE-Flasche bedeckt. Über diesen Becher legt man ein Stück PE-Folie und schiebt den breiten Ring, den man zuvor von der Flasche abgetrennt hat, so über den Rand, dass sich die Folie spannt und ein abgeschlossener (luftgefüllter) Gasraum bildet. Nun schmilzt man mit einem heißen Nagel ein Loch etwa 1 cm über dem Gefäßboden in die Wand, durch das gerade ein Thermoelement passt und so die Gasdiffusion gering gehalten wird. 5-6 cm über der PE-Folie schmilzt man gleichermaßen ein Loch für das zweite Thermoelement in den PE-Ring. Außerdem bringt man an diesem Ring zwei weitere Öffnungen an, um andere Gase einleiten zu können. In diese Öffnungen setzt man die Kunststoffröhrchen, auf diese die Schlauchstücke mit Schlauchklemmen, so dass das Ganze möglichst dicht nach außen abschließt. Eventuell kann dem mit Knetmasse nachgeholfen werden. Abschließend verschließt man den oberen Raum mit einem Stück PE-Folie und dem PE-Ring wieder möglichst gasdicht. Das ganze Gefäß (außer oben) mit Styropor isolieren. Aufbau Seite 3 von 6

4 Das Versuchsgefäß wird von oben mit einer Halogenlampe bestrahlt und die Temperaturanstiege in den beiden Gasräumen im Minutenabstand gemessen. Zur Absorption der Infrarotstrahlung stellt man zwischen Lampe und Versuchsgefäß eine Kristallisierschale mit Wasser (1cm dicke Wasserschicht). Der Abstand zwischen Lampe und Wasser sowie zwischen Wasser und Versuchsgefäß sollte ca. 12 cm betragen. Nun leitet man in den oberen Gasraum CO 2 ein, klemmt die Schlauchstücke zu und wiederholt den Versuch. Messwerte beide Gasräume luftgefüllt J 1 [ C] 25,4 28,0 30,1 31,4 32,3 33,1 33,8 34,4 35,0 9,6 J 2 [ C] 25,8 27,7 28,9 29,9 30,5 31,0 31,3 31,7 32,1 6,3 DJ [K] -0,4 0,3 1,2 1,5 1,8 2,1 2,5 2,7 2,9 3,3 oberer Gasraum CO 2 -gefüllt J 1 [ C] 26,0 28,6 30,5 31,5 32,1 32,5 33,0 33,4 33,9 7,9 J 2 [ C] 26,1 28,9 30,0 30,6 30,9 31,2 31,5 31,8 32,0 5,9 DJ [K] -0,1-0,3 0,5 0,9 1,2 1,3 1,5 1,6 1,9 2 oberer Gasraum CH 4 (Methan)-gefüllt J 1 [ C] 26,0 28,3 29,9 30,7 31,4 32,0 32,4 32,9 33,3 7,3 J 2 [ C] 25,9 28,4 29,3 29,8 30,2 30,5 30,7 30,9 31,1 5,2 DJ [K] 0,1 0,1 0,6 0,9 1,2 1,5 1,7 2,0 2,2 2,1 oberer Gasraum SO 2 (Schwefeldioxid)-gefüllt J 1 [ C] 24,6 26,6 28,0 29,6 30,6 31,5 32,3 33,0 33,5 8,9 J 2 [ C] 24,9 27,6 28,8 29,6 30,1 30,5 30,9 31,3 31,6 6,7 DJ [K] -0,3-1,0-0,8 0 0,5 1,0 1,4 1,7 1,9 2,2 t: Zeit J 1 : Temperatur im unteren Gasraum J 2 : Temperatur im oberen Gasraum Deutung Das eigentlich zu erwartende bleibt leider aus, wofür es aber plausible Erklärungen gibt. Eigentlich sollte sich in den Versuchen, in denen sich ein treibhausrelevantes Gas Seite 4 von 6

5 im oberen Bereich befindet, die Temperatur im unteren Bereich stärker steigen als im vergleichbaren Versuch mit Luft. Die erwartete Einstellung der Temperatur ist in 8 min leider nicht zu realisieren. Eine längere Untersuchung würde eine Erklärung liefern. Eindeutig zu beobachten ist eine stärkere Differenz der relativen Temperaturerhöhungen, wenn beide Kammern mit Luft gefüllt werden. Dies deutet stark darauf hin, dass die Lichtstrahlen der Lampe den oberen Gasraum fast ungehindert durchdringen und nur den Boden erwärmen. Bei den anderen Versuchen erwärmte sich der obere Gasraum fast gleichermaßen, was langfristig zu einer deutlicheren Erwärmung des unteren Gasraumes führen würde. Vergleicht man die Temperaturdifferenzen zwischen oberem und unterem Gasraum, die in der jeweils vierten Zeile festgehalten sind, so stellt man im ersten Versuch mit zwei Luftkammern fest, dass die Differenz recht schnell ansteigt. Die treibhausrelevanten Gase weisen in diesem Zusammenhang ein stark divergierendes Verhalten auf. Hier erwärmt sich die obere Kammer zu Beginn des Versuches stärker, bis sie nach wenigen Minuten von der Temperatur der unteren Kammer überholt wird. Am deutlichsten ist dieser Effekt bei Schwefeldioxid zu beobachten. Erst nach 3 min überholt die Temperatur der untere Kammer die der oberen. Die vorliegenden Messwerte deuten sehr stark darauf hin, dass Gase wie CO 2 oder CH 4 den sogenannten Treibhauseffekt fördern. Sie sagen dennoch nichts über das Ausmaß der Klimaveränderung aus, wenn die Konzentration der Spurengase durch den Menschen erhöht wird. Somit dürfen aufgrund dieser Untersuchung nicht zu weite Schlüsse gezogen werden. Mit ihr wird nur der natürliche Treibhauseffekt veranschaulicht. 4. Darstellung von Ozon durch Elektrolyse von Schwefelsäure Hofmannscher Wasser-Zersetzungsapparat mit möglichst großflächigen Platinelektroden, Spannungsquelle, Silikonschläuche, Dreiweghahn, Kolbenprober, Pasteurpipette aus Glas oder ausgezogenes Glasrohr. Chemikalien Schwefelsäure (20%) Aufbau Apparatur zur Ozongewinnung Man elektrolysiert die Schwefelsäure in der Apparatur bei ca. U = 10 V Gleichspannung. Während der Elektrolyse muss ab und zu der Wasserstoff abgelassen werden, deshalb ständig Gasentwicklung beobachten! Die ozonhaltige Gasmischung wird mit einem Kolbenprober entnommen oder über den Dreiwegehahn direkt in die Reaktionsgefäße eingeleitet. Eine vorsichtige Geruchsprobe kann vorgenommen werden. Das Ozon kann nicht bis zum nächsten Tag aufbewahrt werden, da es nicht allzu lange stabil ist. Hinweis: Bei höheren Spannungen wird die Schwefelsäure zu heiß, die Ausbeute an Ozon nimmt wieder ab. Quelle: 5. Nachweis von Ozon mittels UV-Lampe UV-Lampe (254 nm) Dünnschichtchromatographie-Platte (oder ggf. weiße Textilien) Ozonhaltiges Anodengas Man leitet ozonhaltiges Anodengas über eine DC-Platte oder weiße Textilien. Die Platte wird mit monochromatischen Licht der Wellenlänge 254 nm (UV-Lampe) beleuchtet. Beobachtung Fällt UV-Licht auf die DC-Platte so emittiert sie grünliches Licht. Leitet man ozonhaltiges Anodengas darüber, so verschwindet die grünliche Lichtemission. Ozon absorbiert UV-Licht und wandelt es in Strahlung einer längeren Wellenlänge um. Dadurch verhindert es das Auftreffen von UV-Licht auf die DC-Platte. Diese kann daher kein Licht emittieren. Bemerkung: Bei diesem Nachweis handelt es sich um ein einen spezifischen Nachweis, da andere Gase kein Licht der Wellenlänge 254 nm absorbieren. 6. Zerstörung von Gummi durch Ozon Luftballons. Chemikalien Ozonhaltiges Anodengas Seite 5 von 6

6 Man bläst einen Luftballon prall auf. Anschließend leitet man etwas ozonhaltiges Anodengas auf die Ballonhülle. An der Stelle, wo das Ozon auftrifft, trübt sich der Ballon augenblicklich und färbt sich weiß. Dann platzt er. Hinweise: a) Schon mit wenigen Millilitern Gas ist ein Effekt zu beobachten. Dabei sollte man den Ballon nicht mit der spitzen Kapillare berühren. 10 cm Abstand reichen völlig aus. b) Eine hübsche Variante des Versuchs schlägt M. Kremer vor. Er zieht ein Stück eines roten Laborschlauchs zum Strecken über einen Glasstab und gibt es dann in die ozonhaltige Gasmischung. Es reagiert rasch, indem es runzelig wird oder sogar reißt. So kann man auch Ozon in bestrahlter Stickstoffdioxid/Sauerstoffmischung nachweisen.alternativ kann man auch einen Gummiring um den Glasstab winden. c) Dickere Gegenstände wie Gummihandschuhe werden erst nach etwas längerer Einwirkung zerstört. Quelle: 7. Wirkung von Ozon auf Pflanzen 2 Erlenmeyerkolben (250 ml) mit Glasstopfen Frischer Klee Chemikalien Ozonhaltiges Anodengas Aufbau Versuch zur Ozonwirkung auf Pflanzen Je ein Blatt von frisch gepflücktem Weißklee oder einer anderen empfindlichen Pflanze wird in einen Erlenmeyerkolben gestellt. Zu einem von den beiden gibt man 100 ml ozonhaltiges Anodengas. Man lässt die Blätter im hellen Licht stehen. Schon nach kurzer Zeit, spätestens aber nach 60 min beobachtet man, wie sich in der ozonhaltigen Atmosphäre die Unterblatt-Epidermis weiß färbt und ablöst. Das Blatt beginnt sich dunkel zu färben und zusammenzurollen. Das Blatt in der unbelasteten Probe sieht weiterhin frisch aus. Quelle: Kontakt: Steffen Auer Stefan Schroth Seite 6 von 6