Luft. - Bestandteile und Umwelt

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1 Universität Regensburg Institut für Anorganische Chemie Demonstrationsversuche im Wintersemester 2011/2012 Betreuung: Dr. M. Andratschke Referenten: Melanie Haslbeck, Melanie Winklhofer Luft - Bestandteile und Umwelt 1. Allgemeines zur Luft Bereits in der Antike erkannten die Menschen die Bedeutsamkeit von Luft. Neben Feuer, Wasser und Erde wurde sie für eines der vier Urelemente gehalten. [1] Im 15. Jahrhundert entdeckte erstmals Leonardo Da Vinci, dass Luft - anders als bisher angenommen - aus mehreren Bestandteilen zusammengesetzt ist. In den darauf folgenden Jahrhunderten erforschten unter anderem C. Scheele, J. Priestley und A. Lavoisier die verschiedenen Komponenten der Luft. [2] 2. Zusammensetzung der Luft (Volumenanteil in %) [3] N 2 Stickstoff O 2 Sauerstoff Ar Argon CO 2 Kohlenstoffdioxid Ne Neon He Helium CH 4 Methan Kr Krypton H 2 Wasserstoff N 2 O Distickstoffoxid Xe Xenon 78,08 20,95 0,934 0,036 0,0018 0,0005 0, ,0001 0, , ,

2 Sauerstoff O 2: Wissenswertes: [2] - farb-, geruch- und geschmackloses Gas - häufigstes Element auf der Erde - unterhält Verbrennung, selbst aber nicht brennbar - Gewinnung: Linde-Verfahren (fraktionierte Destillation flüssiger Luft) - Lebewesen verbrauchen Sauerstoff -> Aufrechterhaltung der Körperfunktionen Nachweis: [4] Geräte und Chemikalien (s. Abb. 1): Kristallisierschale, Erlenmeyerkolben, Tinte zum Anfärben von Wasser (H 2 O), Teelicht, Stapel aus 2-Cent-Münzen Durchführung (s. Abb. 2): In die Kristallisierschale wird ca. bis zur Hälfte Wasser eingefüllt. Dieses wird anschließend mit roter Tinte angefärbt. Nun stellt man den Münzenstapel in die Mitte des Gefäßes und achtet darauf, dass der Stapel knapp aus dem Wasser ragt. Darauf legt man dann die vorher zugeschnittene Kerze und zündet sie an. Als nächstes stülpt man den Erlenmeyerkolben vorsichtig (!) über die Kerze. Abbildung 1: Geräte und Materialien Abbildung 2: Versuchsdurchführung 2

3 Abbildung 3: Versuchsergebnis Beobachtung (s. Abb. 3): Nach einiger Zeit erlischt die Kerze und der Wasserpegel im Erlenmeyerkolben steigt an. Erklärung: Die brennende Kerze verbraucht anteilig den vorhandenen Sauerstoff (O 2 ), dadurch entsteht im Erlenmeyerkolben ein Unterdruck und das Wasser wird hochgezogen. Es müsste eigentlich, durch den 20 % Sauerstoffanteil, ein Fünftel der Luft durch Wasser verdrängt werden, allerdings ist dies nicht der Fall. Bei der Verbrennung werden nämlich noch andere Gase freigesetzt. Der gesamte Sauerstoff wird auch nicht verbraucht. Stickstoff (N 2 ): Wissenswertes: [2] - farb-, geschmack- und geruchloses Gas - nicht brennbar, unterhält Verbrennung nicht - nicht giftig - sehr reaktionsträge - Kühlmittel (kann als flüssiger Stickstoff eine Temperatur weit unter dem Gefrierpunkt von Wasser aufrechterhalten) Aufbewahren von Zellen, Kühlmittel für Computerhardware [5] Nachweis: [6] Geräte und Chemikalien: Erlenmeyerkolben aus Versuch 1, Glimmspan, Feuerzeug Durchführung: In den Erlenmeyerkolben aus Versuch 1 wird ein glühender Glimmspan gehalten. Beobachtung: Der Glimmspan erlischt beim Einführen in den Erlenmeyerkolben und beginnt außerhalb davon wieder zu glühen. Erklärung: Da in Versuch 1 der Sauerstoff weitgehend verbraucht wurde und Stickstoff den Hauptbestandteil der Luft darstellt, erlischt der Glimmspan. Dies ist auf die wesentliche Eigenschaft des Stickstoffes zurückzuführen: er unterhält Verbrennungen nicht. 3

4 Kohlenstoffdioxid (CO 2 ): Wissenswertes: [2] - farb- und geruchlos - nicht brennbar, unterhält Atmung und Verbrennung nicht - Verwendung bei der Photosynthese von Pflanzen - Löschapparate (Feuerlöscher) - in Getränken enthalten [7] Nachweis: [8] Geräte und Chemikalien (s. Abb. 4): kleines Reagenzglas, Strohhalm, Bariumhydroxid-Lösung (Ba(OH) 2 ), Schutzbrille, Reagenzglasständer Durchführung: Das Reagenzglas wird nach Augenmaß ca. zu einem Viertel mit Bariumhydroxid-Lösung befüllt. Nun wird vorsichtig (!) Atemluft mit Hilfe eines Strohhalms in das Reagenzglas geblasen. Abbildung 4: Geräte und Chemikalien Abbildung 5: Versuchsergebnis Beobachtung (s. Abb. 5): Es entsteht eine trübe Lösung, nach kurzer Zeit setzt sich dann ein weißer Niederschlag ab. Erklärung: Das Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) aus der Atemluft reagiert mit dem Bariumhydroxid zu einem schwerlöslichen Carbonat, nämlich Bariumcarbonat BaCO 3. CO 2 + Ba(OH) 2 BaCO 3 + H 2 O [8] 3. Umwelt Im Laufe der letzten Jahrhunderte begann der Mensch immer mehr zu erfinden und zu entdecken. Doch mit diesen Meilensteinen für das menschliche Leben gehen leider auch zahlreiche negative Aspekte hinsichtlich der Umwelt einher. So auch die immer mehr steigende Luftverschmutzung. 4

5 Ozon (O 3 ): Reines Ozon ist ein blaues, giftiges und chemisch sehr reaktives Gas [2]. Es kommt natürlich in der Ozonschicht (Stratosphäre = zweite Schicht der Erdatmosphäre [9]) vor und ist für das Leben auf dem blauen Planeten äußerst wichtig (Schutz vor UV-Strahlung). Eine nicht unerhebliche Gefahrenquelle geht von der Zerstörung des in der Stratosphäre befindlichen Ozons durch ozonschädigende Gase (Halogenverbindungen, z. B. Fluorchlorkohlenwasserstoffe FCKW) aus. Diese gasförmigen Stoffe dienen in der Stratosphäre als Katalysator für das dort vorhandene Ozon. Das Ozon reagiert dadurch zu Sauerstoff. Durch diese Reaktion nimmt die ursprüngliche Menge des Ozons ab. Dadurch kann die Ozonschicht ihre schützende Funktion immer weniger erfüllen, sprich die UV-Strahlung wird nicht mehr im natürlichen Umfang absorbiert. Ozonloch [10] In geringen Mengen ist Ozon auch in Bodennähe zu finden. Erhöht sich diese Konzentration, stellt es eine erhebliche Gefahr für die Umwelt dar. Grund dafür können z. B. die vielen Autoabgase, sprich Stickoxide (z. B. Stickstoffdioxid NO 2 ), sein. Stickstoffdioxid (NO 2 ) wird durch die UV-Strahlung (Sonnenstrahlung) gespalten: NO 2 Sonnenlicht NO + O Das entstehende Sauerstoffradikal reagiert dann mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff zu Ozon: O + O 2 O 3 Je stärker die Sonneneinstrahlung, desto höher ist also die Ozonkonzentration. Andernteils baut aber Stickstoffmonoxid (NO) Ozon wieder ab: NO + O 3 NO 2 + O 2 [11] Saurer Regen: [12] Von saurem Regen spricht man, wenn der ph-wert des Regens unter 5,5 liegt. Verantwortlich für dieses Phänomen sind vor allem Stickstoffdioxid (NO 2 ) und Schwefeldioxid (SO 2 ). Diese Schadstoffe werden hauptsächlich bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen in Industrie, Haushalt und Verkehr produziert. Durch die Reaktion der Schadstoffe mit Wasser entstehen Säuren (Salpetersäure HNO 3 und Schwefelsäure H 2 SO 4 ) Saurer Regen 2 NO 2 + H 2 O HNO 2 + HNO 3 2 HNO 2 + O 2 2 HNO 3 SO 2 + H 2 O H 2 SO 3 2 H 2 SO 3 + O 2 2 H 2 SO 4 Saurer Regen ist schädlich für Gewässer, Böden, Pflanzen und Gebäude. 5

6 Treibhauseffekt: [13] Treibhausgase (Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Methan, Ozon) bewirken seit Bestehen der Erde den atmosphärischen Treibhauseffekt, der sich auf das Klima auswirkt. Vereinfacht nehmen die Treibhausgase dabei die Rolle des Glases des Treibhauses ein, welches nur für den kurzwelligen Anteil der Sonnenstrahlung durchlässig ist. Der Anteil der langwelligen Sonnenstrahlung (Wärmestrahlung) wird je nach Treibhausgas in verschiedenen Wellenlängen absorbiert und emittiert. Dadurch wird die nächtliche Abkühlung der Erdoberfläche vermindert. Die durchschnittliche globale Temperatur liegt somit bei 14 C, statt bei etwa -18 C. Der anthropogene, vom Menschen verursachte, Treibhauseffekt, bedingt durch die Zunahme der Treibhausgase in der Atmosphäre, führt zur weiteren globalen Erwärmung der Erde. Smog [14]: Smog ist ein Kofferwort aus dem Englischen: smoke (Rauch) und fog (Rauch). Darunter versteht man eine Luftverschmutzung, die hauptsächlich durch Emissionen verursacht wird und größtenteils in Großstädten auftritt. In engem Zusammenhang steht daher eine gesundheitlich bedenkliche und sichtbehindernde Menge an Schadstoffen. Generell tritt Smog in windschwachen Wetterlagen auf. 3. Lehrplanbezug Laut Realschullehrplan findet man das Thema Luft in der 8. Jahrgangsstufe des naturwissenschaftlichen Zweiges (s. Ch 8.5 Oxidation und Reduktion als Sauerstoffübertragung Unterpunkt: Luft als Gasgemisch). [15] 4. Quelle/Literatur [1] Stand: 22. Januar 2012 [2] A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Holleman-Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, New York, Walter de Gruyter (2007), S , , , [3] M. Binnewies, M. Jäckel, H. Willner, G. Rayner-Canham, Allgemeine und Anorganische Chemie, Berlin, Spektrum-Akademischer Verlag (2004), S. 454 [4] H. Keune, H. Boeck, J. Elsner, H. Fickel, R. Kuhnert, V. Mirschel, Chemische Schulexperimente, Band 3, Anorganische Chemie, Frankfurt/ Main, Verlag Harri Deutsch Thun (1978), S. 220, 221 [5] Stand: 22. Januar 2012 [6] Stand: 06. Februar 2012 [7] Stand: 22. Januar 2012 [8] Stand: 22. Januar 2012 [9] Stand: 07. Februar 2012 [10] Stand: 17. April 2012 [11] Stand: 23. Januar 2012 [12] Stand: 22.Januar 2012 [13] Stand: 23. Januar 2012 [14] Stand: 22. Januar 2012 [15] Stand: 22. Januar