Fachdidaktik Chemie ETH Atmosphärenchemie S. 1. Siehe

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1 Fachdidaktik Chemie ETH Atmosphärenchemie S. 1 Atmosphärenchemie Schwefeldioxid Siehe Stickoxide Erkenntnisse Stickoxide sind Radikale und reizen die Schleimhäute Stickoxide entstehen, wenn Luft erhitzt wird Je heisser desto Stickoxid Motoren emittieren mehr Stickoxid als Heizungen, weil sie höhere Temperaturen erreichen Dieselmotoren besitzen keinen Katalysator. Deshalb stossen Lastwagen besonders viel Stickoxide aus An stark befahrenen Strassen liegen die Stickoxid-Konzentrationen über dem Grenzwert Wie Stickoxide entstehen Vorkenntnisse Lewisformeln und chemisches Gleichgewicht: Massenwirkungsgesetz und Prinzip von Le Chatelier. Aktivierung Die Schülerinnen lösen folgende Aufgaben selbständig. Wenn sie eine Frage nicht beantworten können, sollen sie die nächste Aufgabe bearbeiten. 1. Stickstoff und Sauerstoff reagieren zu Stickstoffmonoxid. Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für das chemische Gleichgewicht und das Massenwirkungsgesetz. 2. In welchem Bereich liegt die Gleichgewichtskonstante? a) zwischen -100 und 0 b) zwischen 0 und 1 c) zwischen 1 und Entsteht bei höherer Temperatur mehr Stickstoffmonoxid? 4. Zeichnen Sie die Lewisformeln von Edukten und Produkten. Lösungen

2 Fachdidaktik Chemie ETH Atmosphärenchemie S. 2 Diskussion NO ist ein Radikal und reagiert mit Schleimhäuten Wie viel NO entsteht? Input: Bei 25 C ist K = 4, Wie viel Stickstoffmonoxid entsteht, wenn im Gleichgewicht 78 % Stickstoff und 21 % Sauerstoff vorhanden sind? Resultat: 2, % NO Fazit: Zum Glück bildet sich fast kein NO Aufgabe für Schüler: Bei 2000 C ist K = 0,0012. Wie viel Stickstoffmonoxid entsteht, wenn im Gleichgewicht 78 % Stickstoff und 21 % Sauerstoff vorhanden sind? Resultat: 1,4 % NO Experiment: Wo wird eine Temperatur von 2000 C erreicht? 1. Im Lichtbogen entstehen Stickoxide Bemerkungen: NO ist farblos und reagiert weiter zum braunen Stickstoffdioxid NO 2 Auch NO 2 ist ein Radikal, das die Schleimhäute angreift. Die normale Haut ist widerstandsfähiger und wird von Stickoxiden nicht verändert. NO und NO 2 werden zusammengefasst als Stickoxide NO x bezeichnet. 2. Heizungen werden so eingestellt, dass die Verbrennung vollständig ist und bei möglichst tiefer Temperatur erfolgt. Demonstration: Die Temperatur der Bunsenbrennerflamme kann mit der Luftzufuhr reguliert werden. Die rauschende Flamme ist heisser als die leuchtende. Die Temperatur kann mit einer Hochtemperatursonde von Steinegger & Co, Rosenbergstr. 23, 8200 Schaffhausen, an verschiedenen Stellen der Flamme gemessen werden. Wer ohne Temperatursonde auskommen muss, kann einen grossen Eisennagel oder ein Zündholz in die Flamme halten. Der Eisennagel glüht nur an der heissesten Stelle der rauschenden Flamme. Ein Zündholzkopf entflammt in der Mitte der rauschenden Flamme nicht. Merke Bei jeder Verbrennung entstehen Stickoxide. je höher die Temperatur, desto mehr wird frei. Deshalb erzeugen Fahrzeuge viel mehr NO als Heizungen. Kurz und prägnant: Je heisser desto Stickoxid

3 Fachdidaktik Chemie ETH Atmosphärenchemie S. 3 Kohlenwasserstoffe VOC In der Luftreinhaltung stehen Kohlenwasserstoffe für flüchtige organische Verbindungen. Die Abkürzung VOC Volatile Organic Compound ist zutreffender. Erkenntnisse VOC entstehen, wenn organische Lösungsmittel verdunsten. Organische Lösungsmittel werden in vielen Tätigkeiten eingesetzt: entfetten von Metallen, chemische Reinigung, malen, lackieren, kleben, imprägnieren, Körperpflege,... Benzin verdunstet beim Tanken und wenn Fahrzeuge herumstehen. Zwei prominente VOC-Schleudern: Zweitakt-Motoren und Spraydosen VOC sind ein Problem, weil sie Ozon bilden Vespa, Mofa, Rasenmäher und Laubbläser mit Zweitakt-Motoren stossen einen Teil des Benzins aus, ohne es zu verbrennen. Der entscheidende Unterschied zwischen Zwei- und Viertakt-Motor kann mit einer Animation oder einem Modell (aus der Physik-Sammlung) gezeigt werden. Spraydosen enthalten Lösungsmittel und Treibgas. Wenn der Wirkstoff direkt verwendet wird, gelangt viel weniger VOC in die Luft Bsp. Schuhe mit Nässestopp statt mit Spray imprägnieren. Deodorant mit Stick oder Roll-on und nicht als Spray verwenden Gel oder Wachs statt Haarspray Experimente Eine Farbe mit und eine ohne Lösungsmittel auf Alufolien streichen und anzünden Imprägnierspray in ein grosses Becherglas sprühen, mit Uhrglas zudecken und anzünden

4 Fachdidaktik Chemie ETH Atmosphärenchemie S. 4 Ozon unten: Sommersmog Erkenntnisse Ozon ist ein reaktives Gas und schädigt die Atemwege Im Freien entsteht Ozon an sonnigen und heissen Tagen aus NO 2 und VOC Im Sommer werden am Nachmittag oft Ozon-Konzentrationen erreicht, die deutlich über dem Grenzwert liegen In Gebäuden sind die Ozonwerte tief Aus modernen Fotokopierern entweicht fast kein Ozon Aktuelle Immissionen Bei oder sind aktuelle Konzentrationen der Luftschadstoffe an verschiedenen Standorten zugänglich. Lewisformel von Ozon O 3 Experiment Demonstration: Ozon schädigt Pflanzen, greift Gummi an und reizt die Atemwege. Titu Staubli hat diesen Versuch Im Experimentierkurs ausgearbeitet. Die Anleitung Ozon&Pflanzen.doc und das Arbeitsblatt finden Sie auf

5 Fachdidaktik Chemie ETH Atmosphärenchemie S. 5 Arbeitsblatt Ozon im Lauf des Tages Schema: Vorgehen: Das Schema im Sinn eines Inputs vor der Klasse entwickeln. Dann lösen die Schülerinnen den Auftrag In Worten: 1. Personenwagen und Lastwagen stossen Stickstoffmonoxid aus. Am Morgen, wenn viele Leute mit dem Auto zur Arbeit fahren und die Chauffeure mit den Lastwagen schon längst unterwegs sind, entsteht besonders viel Stickstoffmonoxid. Am Abend, wenn alle das Auto nach Hause bringen, wird ein zweites Mal viel Stickstoffmonoxid frei. 2. Die Kohlenwasserstoffe reagieren mit dem Sauerstoff der Luft und geben ein Sauer- stoffatom ans Stickstoffmonoxid ab: es entsteht Stickstoffdioxid. 3. Wenn es warm ist, spalten die Sonnenstrahlen ein Sauerstoffatom aus dem Stickstoffdioxid ab. 4. Das Sauerstoffatom reagiert mit Sauerstoffmolekülen der Luft und wird zu Ozon. 5. Wenn sich die Moleküle von Stickstoffmonoxid und Ozon treffen, reagieren sie miteinander: es entsteht Sauerstoff und Stickstoffdioxid. Auftrag: Setzen Sie die Nummern 1 bis 5 ins Schema oben und in die Graphik unten. Graphik: Schadstoffe im Verlauf des Tages

6 Fachdidaktik Chemie ETH Atmosphärenchemie S. 6 Ozon oben: Ozonschicht Chemische Formeln Sauerstoffatom Sauerstoffmolekül Ozon Wo kommt Ozon vor? unten zu viel, oben zu wenig Ozon Antwort mit Hilfe der Folie: UV C spaltet Sauerstoffmoleküle. In grosser Höhe gibt es sehr wenig Sauerstoffmoleküle. Die Sauerstoffatome treffen so selten auf Sauerstoffmoleküle, dass die Ozonkonzentration gering ist. In der Troposphäre gibt es viele Sauerstoffmoleküle, aber UV C fehlt.

7 Fachdidaktik Chemie ETH Atmosphärenchemie S. 7 Bildung und Abbau von Ozon in der Stratosphäre FCKW Fluorchlorkohlenwasserstoffe zerstören Ozon und wurden früher in Spraydosen verwendet. Siehe Kapitel "Kohlenwasserstoffe VOC" mit der Skizze einer Spraydose Prozesse: Bedeutung in eigenen Worten: 1) O + O 2 O 3 2) O 3 + O 2 O 2 3) Cl + O 3 ClO + O 2 4) ClO + O Cl + O 2 Experimente in der Stratosphäre

8 Fachdidaktik Chemie ETH Atmosphärenchemie S. 8 Weniger Ozon in der Stratosphäre bedeutet mehr UV auf der Erde Experiment zum Sonnenschutz Im Gegensatz zu Wasser und Handcreme absorbieren Sonnencremen ultraviolettes Licht. Auch Brillen Lese- und Sonnenbrillen schützen vor ultraviolettem Licht. Tipp: In den Badeferien Siesta machen: in den Mittelmeerländern von 12 bis 15 Uhr den Schatten suchen In einem Film mit einer UV-Kamera wird gezeigt, wie Menschen aussehen, die Sonnencreme auf die Haut auftragen: Ab wann ist Sonnenstrahlung wirklich gefährlich? Einen ausgezeichneten Zeitungsartikel mit diesem Titel, der in der Neuen Zürcher Zeitung vom 20. August 2008 publiziert wurde, finden Sie auf Erkenntnisse der Schülerinnen und Schüler Ozon absorbiert UV-Licht FCKW (Fluorchorkohlenwasserstoffe) sind sehr stabil, überdauern 10 Jahre, gelangen bis in die Stratosphäre, wo UV Chloratome abspalten. Weil FCKW weltweit verboten wurden, wird sich die Ozonschicht erholen. Ein Chloratom zerstört Tausende von Ozonmolekülen Über der Schweiz nahm die Ozonmenge in der Stratosphäre um 5 % ab. Konsequenz: Sonnenbrand wird häufiger Ozonloch: Im September gibt es 60 % weniger Ozon über dem Südpol Grund: im August bildet sich über der Antarktis kein Ozon, weil das Licht fehlt. Wirbel am Südpol verhindert den Luftaustausch sehr kalt - 80 C, sogar Eiswolken in Stratosphäre. Ozonabbau an den Eiskristallen, wenn es im September wärmer wird. Erfolgsprotokoll: Schutz der Ozonschicht hilft auch dem Klima 1987 unterzeichneten 25 Regierungen und die Kommission der Europäischen Gemeinschaft eine Vereinbarung über Stoffe, die zum Abbau der Ozonschicht führen. Dieses Montrealer Protokoll reduzierte seitdem erfolgreich weltweit den Ausstoß von FCKW und Co, und die Ozonschicht erholt sich offenbar - wenn auch sehr langsam. Doch das Abkommen erreichte weit mehr als das. Der ausführliche Bericht vom ist unter zugänglich.