Musterlösungen zum Schülerband. 3 Luft und Wasser

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2 Musterlösungen zum Schülerband 3 Luft und Wasser Werner Eisner Paul Gietz Axel Justus Klaus Laitenberger Hildegard Nickolay Werner Schierle Bärbel Schmidt Michael Sternberg Thorsten Zippel Ernst Klett Verlag Stuttgart Leipzig Elemente Chemie NRW 1A - Musterlösungen zum Kapitel Luft und Wasser 2

3 Autoren Werner Eisner Paul Gietz Axel Justus Klaus Laitenberger Hildegard Nickolay Werner Schierle Bärbel Schmidt Michael Sternberg Thorsten Zippel Zeichnungen / Illustrationen Karin Mall, Berlin Jörg Mair, München Tom Menzel, Rohlsdorf 1. Auflage, 2009 Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Hinweis zu 52 a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Einwilligung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen. Fotomechanische Wiedergabe nur mit Genehmigung des Verlages. Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart Alle Rechte vorbehalten. Internetadresse: ISBN Elemente Chemie NRW 1A - Musterlösungen zum Kapitel Luft und Wasser 3

4 S. 138 Durchblick Zusammenfassung und Übung A1 Die Zerlegung einer Verbindung in die elementaren Stoffe wird Analyse genannt. Die Herstellung von Verbindungen aus den elementaren Stoffen oder anderen Verbindungen nennt man Synthese [B6]. Der Ausdruck "Analyse" wird mit anderer Bedeutung auch bei der Untersuchung eines Gemisches gebraucht, wenn einzelne Bestandteile bestimmt werden. B6 Bildung und Zerlegung von Wasser Nenne einige Beispiele für Synthesen bzw. Analysen. L1 a) Bildung von Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff (Synthese) b) Bildung von Eisensulfid aus Eisen und Schwefel (Synthese) c) Bildung von Magnesiumoxid aus Magnesium und Sauerstoff (Synthese) d) Bildung von Silbersulfid aus Silber und Schwefel (Synthese) e) Zerlegung von Silberoxid in Silber und Sauerstoff (Analyse) f) Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff (Analyse) g) Bestimmung des Sauerstoffgehaltes eines Gewässers (Analyse) h) Ein Gemisch aus Zucker und Wasser wird hergestellt: Die Zerlegung eines Gemisches wird zwar als Analyse bezeichnet, die Herstellung eines Gemisches ist aber keine Synthese. A2 L2 Gib unter Auswertung von [B4] an, was mit der Dichteanomalie des Wassers gemeint ist und beschreibe die Auswirkungen auf das Leben in einem Gewässer. Die Dichte der meisten Flüssigkeiten nimmt bei einer Verringerung der Temperatur zu. Während des Erstarrungsprozesses nimmt die Dichte ebenfalls zu, ohne dass sich die Temperatur verändert. Die Abbildung zeigt, dass Wasser sich anders verhält. B4 Dichteanomalie von Wasser Bei einer Temperatur von 10 C besitzt Wasser eine Dichte ρ = 0,9997 g/cm 3. Bei Abkühlung nimmt die Dichte wie bei anderen Flüssigkeiten zu und erreicht bei 4 C den Wert ρ = 1 g/cm 3, bei weiterer Abkühlung wird sie wieder geringer. Sie durchläuft also bei 4 C ein Maximum. Während der Erstarrung nimmt die Dichte ganz erheblich ab, wie die beinahe senkrecht nach unten weisende Kurve zeigt. Das Erreichen eines Dichtemaximums und die bei weiterer Abkühlung folgende Verringerung der Dichte werden als die Anomalie des Wassers bezeichnet. Auswirkung auf das Leben in einem Gewässer: Im Winter wird ein Gewässer durch die kalte Luft von oben her abgekühlt. Wird eine Temperatur von 4 C unterschritten, sinkt das Wasser nicht mehr wegen zunehmender Dichte nach unten, sondern es bildet eine kältere Deckschicht, die zu Eis erstarren kann. Gewässer frieren von oben her und bei genügender Tiefe nicht vollständig zu. Fische und andere Wassertiere können im Tiefenwasser überleben. Ihr Sauerstoffverbrauch ist bei der niedrigen Temperatur sehr gering. Elemente Chemie NRW 1A - Musterlösungen zum Kapitel Luft und Wasser 4

5 S. 138 Durchblick Zusammenfassung und Übung (Fortsetzung) A3 L3 Es gibt zahlreiche mit dem Wortteil -wasser zusammengesetzte Begriffe. Was bedeuten: Salzwasser, Süßwasser, Brackwasser, Grundwasser, Abwasser? Eine Lösung lässt sich übersichtlich in Tabellenform darstellen: Salzwasser Natürlich vorkommendes oder vom Menschen hergestelltes Wasser mit salzigem Geschmack, in dem Kochsalz oder andere gelöste Salze vorliegen (w > 1%). Süßwasser Natürlich vorkommendes Wasser von Flüssen und Seen ebenso Grundwasser mit einem unterschiedlichen, aber geringen Gehalt an gelösten Salzen, das aber nicht süß schmeckt. Brackwasser Grundwasser Abwasser Im Bereich von Mündungen von Flüssen ins Meer vorliegendes Gemisch aus Süßwasser und Salzwasser. Unterirdisches Wasser unterhalb der Bodenschicht in größeren Hohlräumen von Gesteinen, zwischen Kies- und Sandpartikeln oder in Gesteinsporen (z.b. von Sedimentgesteinen). Durch menschlichen oder industriellen Gebrauch verunreinigtes oder in seiner Zusammensetzung verändertes Wasser, auch Oberflächenwasser von versiegelten Flächen, das in die Kanalisation abfließt. A4 L4 Erläutere anhand von Kap. 3.10, S. 126 und S. 127 die Funktion der verschiedenen Teile einer Kläranlage. Die verschiedenen Stufen einer Kläranlage lassen sich in Tabellenform beschreiben: Mechanische Klärung: Biologische Klärung: Chemische Klärung: Grobe Bestandteile des Abwassers werden durch Rechen zurückgehalten und entnommen. Im Sandfangbecken setzen sich kleinere, mineralische Bestandteile ab und werden durch einen Bodenräumer entfernt, während organische Partikel, die im Wasser schweben, bleiben. Schwimmstoffe (Öl, Styropor) besitzen eine geringere Dichte als das übrige Abwasser, sie stauen sich vor der Tauchwand und werden von dort entnommen. Im ersten Becken werden von speziellen Bakterien Phosphate aufgenommen und in ihren Zellen gespeichert. Im zweiten Becken werden gelöste Nitrate von Bakterien unter Bildung von Stickstoff, der als Gas das Wasser verlässt, entfernt. In das dritte Becken, dem Belebtschlammbecken, wird Luft eingeblasen. Dort bauen Mikroorganismen organische, gelöste oder suspendierte Stoffe ab. Mikroorganismen wachsen und teilen sich. Hierbei nehmen sie den größten Teil der noch vorhandenen Phosphate und Nitrate auf. Im folgenden Nachklärbecken setzen sie sich als Belebtschlamm ab, der zum Faulturm geleitet wird. Falls der Phosphatgehalt noch nicht den vorgeschriebenen geringen Wert erreicht hat, wird ein Fällmittel zugegeben, welches gelöste Phosphate in unlösliche umwandelt, die sich in Flocken absetzen oder abfiltriert werden. Elemente Chemie NRW 1A - Musterlösungen zum Kapitel Luft und Wasser 5

6 S. 138 Durchblick Zusammenfassung und Übung (Fortsetzung) A5 Beschreibe, wie man ermitteln kann, dass Luft ein Gasgemisch ist. Überlege einen Versuch, mit dem man zeigen kann, dass Luft zu einem Fünftel aus Sauerstoff besteht. Tipp: Siehe im Kap. 2.4, S. 79 nach. L5 Man muss eine bestimmte Luftportion in einem abgeschlossenen Raum reagieren lassen. Wenn man annimmt, dass bei der ausgewählten Reaktion nur der Sauerstoff reagiert und nur ein Anteil der Luft reagiert hat, weiß man, dass Luft außer aus Sauerstoff noch aus anderen Gasen bestehen muss. Als Reaktion kann man z.b. die Verbrennung von Eisen nehmen. Man stellt dann fest, dass ein Fünftel der Luft, eben der Sauerstoffanteil der Luft, verbraucht wurde. A6 L6 Kohlenstoffdioxid ist ein natürlicher Bestandteil der Luft, kann aber auch schädlich für das Klima sein. Stelle die unterschiedlichen Betrachtungsweisen dar. Kohlenstoffdioxid wird beim Atmen abgegeben und Pflanzen brauchen es zum Wachsen. Es ist also lebensnotwendig. Ohne Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre wäre es auf der Erde viel zu kalt zum Leben, da es zu einem großen Teil für den natürlichen Treibhauseffekt verantwortlich ist. Zuviel Kohlenstoffdioxid in der Atmosphäre führt aber zu einer übermäßigen Erwärmung und ist daher für ein uns zuträgliches Klima schädlich. A7 L7 Der natürliche Treibhauseffekt beträgt 33 C. Erkläre, wie man zu dieser Temperaturdifferenz kommt. Ohne den natürlichen Treibhauseffekt betrüge die mittlere Temperatur auf der Erde -18 C. Tatsächlich beträgt die mittlere Temperatur aber +15 C. Die Differenz ist 33 C. A8 L8 A9 L9 Auf dem Mauna Loa in Hawaii misst man jedes Jahr einen höheren Anteil von Kohlenstoffdioxid in der Luft. Deute diesen Befund. Tipp: Siehe im Kap. 3.4, S. 115 nach. Brennstoffe wie Erdöl, Erdgas, Kohle die fossilen Energieträger sind aus Lebewesen und Pflanzen entstanden, die vor vielen Millionen Jahren gelebt haben und damals Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre verbraucht haben. Wenn sie jetzt verbrannt werden, also zu Kohlenstoffdioxid reagieren, steigt der Kohlenstoffdioxidanteil in der Atmosphäre an. Es wird also mehr Kohlenstoffdioxid erzeugt, als von den Pflanzen verbraucht wird. Da immer mehr Energie aus diesen Stoffen erzeugt wird, nimmt auch der Kohlenstoffdioxidanteil in der Luft von Jahr zu Jahr zu. Bei Smog ist es neblig [B7] und viele Menschen müssen husten, weil die Luft die Atemwege reizt. a) Erkläre, warum die Luft bei Smog die Atemwege reizt. b) Recherchiere, wie man versucht, die Belastung durch Schadstoffe bei Smog gering zu halten. a) In der Luft sind die Schadstoffe wie Stickstoffdioxid und Schwefeldioxid, die mit Wassertröpfchen im Smog eine saure Lösung bilden. Sie reizen die Atemwege. b) Man hat Gesetze erlassen, nach denen der Autoverkehr eingeschränkt wird und Fabriken, die Schadstoffe erzeugen, ihre Produktion drosseln müssen. (Siehe auch: Olympische Spiele in Peking, 2008.) Elemente Chemie NRW 1A - Musterlösungen zum Kapitel Luft und Wasser 6

7 S. 138 Durchblick Zusammenfassung und Übung (Fortsetzung) A10 Verbrennungsprodukte, die in die Luft gelangen, sind Kohlenstoffdioxid, Wasser, Schwefeldioxid und Stickstoffdioxid. Schreibe die Elemente auf, aus denen die genannten Verbrennungsprodukte aufgebaut sind. Gib die Elemente an, die nicht in den verbrannten Verbindungen gewesen sein mussten, die also von außen hinzugekommen sein können. L10 Die Verbrennungsprodukte sind aus den Elementen Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Schwefel aufgebaut. Stickstoff und Sauerstoff müssen nicht unbedingt bereits vorher in den verbrannten Stoffen vorhanden gewesen sein, sie könnten aus der umgebenden Luft stammen. A11 Zur Erzeugung von Wärme und Strom verbrennt man Holz, Kohle, Erdöl und Erdgas. Bei diesen Prozessen entsteht Kohlenstoffdioxid. Nenne und beschreibe Möglichkeiten, wie man Wärme und / oder Strom auch ohne Verbrennen erzeugen kann. L11 Möglichkeiten, wie man Energie (Wärme, Strom) auch ohne Verbrennen von fossilen Rohstoffen erzeugen kann, sind z.b. die Verwendung von Solaranlagen, Windrädern, Wasserkraftwerken, Gezeitenkraftwerken und Atomkraftwerken. Elemente Chemie NRW 1A - Musterlösungen zum Kapitel Luft und Wasser 7