Versauerung der Gewässer

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1 Staatliches Seminar für Didaktik und Lehrerbildung Ausarbeitung für den NWA-Tag 2012 Lebensraum Erde Thema Versauerung der Gewässer Bearbeitet von: Florian Groß Rebecca Härdle Marco Jäger 1

2 1. Sachanalyse Herstellung und Eigenschaften der Kohlensäure Kohlenstoffdioxid, ein Oxid des Nichtmetalls Kohlenstoff, ist ein farb- und geruchsloses Gas. Das Säureanhydrid der Kohlensäure ist in Wasser mäßig löslich. Die Lösungen enthalten jedoch über 99 % gelöstes Kohlenstoffdioxid. Wie bei allen Nichtmetalloxiden bildet auch Kohlenstoffdioxid beim Einleiten in Wasser eine Säure bzw. saure Lösung. Allerdings reagieren dabei weniger als ein Prozent der Kohlenstoffdioxidmoleküle mit den Wassermolekülen zur Kohlensäure. 1 Die Löslichkeit des Gases ist vom Druck und von der Temperatur abhängig. Wird kohlenstoffdioxidhaltiges Wasser erwärmt, entweicht durch die geringer werdende Aufnahmefähigkeit Kohlenstoffdioxid. Die Konzentration der Kohlensäure nimmt ab, bis sie sich in Kohlenstoffdioxid und Wasser zersetzt hat. Zusätzlich spielt der Druck bei der Löslichkeit eine Rolle. Je höher der Druck ist, desto mehr Kohlenstoffdioxid ist im Wasser löslich. Die Bildung der instabilen Kohlensäure ist somit auch eine umkehrbare Reaktion. 2 Die Abgabe der Protonen, welche auf den Säurecharakter hinweist, erfolgt dabei in zwei Schritten. 1. Schritt: 2. Schritt: 1 Mortimer, Ch. u. a. 2007: Chemie, S (Stand: 4. Juni 2012) 2

3 Die Kohlensäure im Alltag - Kohlensäurehaltiger Sprudel Zur Herstellung von kohlensäurehaltigem Sprudel wird Kohlenstoffdioxid unter Druck in natürliches Mineralwasser eingefüllt und danach verschlossen. Wird die Flasche geöffnet, wird der Druck erniedrigt. Das Kohlenstoffdioxid entweicht. Man merkt dies am zischenden Geräusch und an den entstehenden Gasbläschen. Steht der kohlensäurehaltige Sprudel über einen längeren Zeitraum offen, schmeckt er abgestanden. Es ist kaum noch gelöstes Kohlenstoffdioxid im Sprudel enthalten. Im Sommer wird dieser Vorgang durch die höhere Temperatur oder direkte Sonneneinstrahlung beschleunigt. - Sauerbrunnen: An manchen Orten kommt Kohlenstoffdioxid vulkanischen Ursprungs vor. Dort führen die Quellen kohlenstoffdioxidreiches Wasser. Enthalten diese Quellen mindestens 1g Kohlenstoffdioxid pro Liter, so werden sie auch als Sauerbrunnen und deren Wasser als Säuerling bezeichnet. Das Wasser von solchen Mineralquellen wird zu Trink- und Badekuren verwendet. - Kohlensäure im Regen: In der Luft befindet sich ständig Kohlenstoffdioxid. Schon in der Luftfeuchtigkeit, erst recht aber in Regentropfen, löst sich ein Teil des Gases, und Kohlensäure entsteht. Durch den kohlensauren Regen wird zum Beispiel das Rosten von Eisen beschleunigt oder Marmor und Kalk werden angegriffen (Stand: 4. Juni 2012) 3

4 Herstellung und Eigenschaften der Schwefeligen Säure Schwefeldioxid entsteht bei der Verbrennung von Schwefel. Löst man Schwefeldioxid im Wasser entsteht schweflige Säure. Hier ist unbedingt zu beachten, dass Schwefeldioxid ein sehr giftiges Gas ist, welches bereits in geringen Mengen zu Vergiftungserscheinungen führt. Größere Mengen können tödlich wirken. Vor allem für Mikroorganismen und Pflanzen stellt Schwefeldioxid ein starkes Gift dar. Der Saure Regen enthält Schwefelige Säure gilt als Hauptursache für das Waldsterben. 4 Die Schwefelige Säure ist eine stark riechende und farblose Flüssigkeit und hat eine Ätz- und Reizwirkung auf die Haut. Sie ist wasserlöslich und daher in jedem Verhältnis mischbar 5 Versauerung der Gewässer Die Ursachen für die Versauerung der Gewässer sind unter anderem Emissionen von Schwefeldioxid, Kohlenstoffdioxid und Stickstoffoxide. Vor allem die Energiewirtschaft und die Industrie verursachen einen großen Teil der Schwefeldioxidemissionen, da dort schwefelhaltige Brennstoffe verwendet werden. Stickoxide entstehen zum Großteil vom Straßenverkehr, Haushalte und Landwirtschaft tragen ebenfalls dazu bei. 6 Verbrennung fossiler Brennstoffe, z.b. Kohle oder Erdöl. Kohlenstoffdioxid entsteht bei der Abgase aus dem Verkehr enthalten neben Schwefeldioxid auch Kohlenstoffdioxid und ein Gemisch mehrerer Stickoxide. Die große Menge an Kohlenstoffdioxid, die 4 (Stand: 18.Juni 2012) 5 vgl. ebd. (Stand: 18.Juni 2012) 6 (Stand: 18.Juni 2012) 4

5 entsteht beschleunigt den Treibhauseffekt. Löst sich außerdem das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid im Wasser oder im Meer, bildet sich Kohlensäure. Dies führt zu einer Versauerung der Gewässer. Das Schwefeldioxid und die Stickoxide gelangen hingegen in höhere Luftschichten, wo sie sich in den Wolken sammeln. Das Schwefeldioxid löst sich im Regenwasser der Wolken und bildet hier schwefelige Säure. Die Stickoxide lösen sich ebenfalls und bilden ein Gemisch als Salpetersäure und Salpetrige Säure. Dieser saure Regen ergießt sich dann über dem Boden und sickert in das Grundwasser. Dies führt dazu, dass der ph-wert im Grundwasser und in den Gewässern sinkt. Die Versauerung der Gewässer und Seen kann dazu führen, dass empfindliche Lebewesen sterben 7. Eine der auffälligsten Auswirkungen der Gewässerversauerung. ist das Aussterben von Fischen in stark versauerten Gewässern. So leben z.b. in vielen versauerten Seen Nordamerikas und Skandinaviens keine Fische mehr. 8 Die Versauerung der Ozeane z.b. bedroht viele Meeresbewohner. Vor allem Tiere wie die kalkbildenden Korallen und Muscheln, aber auch Seesterne, Seeigel und andere Stachelhäuter leiden unter der Versauerung. Grund dafür ist, dass es in einer sauren Umgebung schwieriger ist eine haltbare Kalkstruktur aufzubauen, die dazu dient ihre Schutzhüllen und Skelette zu bilden 9. Ein weiterer negativer Effekt der Säurebelastung ist die erhöhte Freisetzung toxischer Schwermetalle (z.b. Aluminium, Blei, Mangan, Nickel, Zink) aus anstehenden Gesteinen oder Böden Didaktische und Methodische Analyse Bezug zum Bildungsplan Die SchülerInnen sollen am Ende ihrer Schulzeit eine naturwissenschaftliche Bildung erreichen, die es ihnen ermöglicht unterschiedliche Lebenssituationen und künftige Berufssituationen erfolgreich und verantwortungsvoll zu meistern. Ziel des Chemieunterrichts ist es, eine naturwissenschaftliche Bildung (Bildungsplan 2004 (S. 96)) zu erlangen, die es den SchülerInnen ermöglicht unterschiedliche 7 vgl. (Stand: 18.Juni 2012) 8 (Stand: 18.Juni 2012) 9 vgl. (Stand: 18.Juni 2012) 10 (Stand: 18.Juni 2012) 5

6 Lebenssituationen und künftige Berufssituationen erfolgreich und verantwortungsvoll zu meistern. Das Thema Versauerung der Gewässer findet bisher im Alltag der Schülerinnen keine große Beachtung. Erst wenn die Auswirkungen auf Flora und Fauna angesprochen werden, entsteht ein Bezug zur Lebenswelt der Lernenden. Der geplante Einstieg, die Auswirkungen der Versauerung am Beispiel der Zersetzung einer Muschelschale zu zeigen, ermöglicht einen emotionalen Zugang zum Thema. Kompetenzen und Inhalte (Bildungsplan) Die Schülerinnen können... Experimentieren (S. 98) eigenverantwortlich mit Stoffen umgehen (S. 98) Sicherheitsmaßnahmen und Verhaltensregeln beim Umgang mit Gefahrenstoffen beachten (S. 98) Veränderungen von Stoffen durch chemische Reaktionen wahrnehmen und beschreiben (S. 98) sich informieren zu können über aktuelle naturwissenschaftliche Forschungen und anwendungstechnische Entwicklungen (S. 101) an einem ausgewählten Beispiel die Problematik menschlicher Eingriffe in ein Ökosystem zu erkennen und Alternativen zu entwickeln (S. 101) Direkter Bezug auf die geplante Einheit: Die SchülerInnen führen selbst geplante Schülerversuche durch. Der Umgang mit den Stoffen wird vorausgesetzt, damit die SchülerInnen eigenständig arbeiten können. Beim Durchführen der Versuche müssen alle Sicherheitsmaßnahmen und Verhaltensregeln eingehalten werden. Sowohl beim Eigenständigen Durchführen des Versuches, als auch beim Beobachten des Demonstrationsversuches wird diese Kompetenz gefördert. Um zu verstehen welche Auswirkungen die Versauerung der Gewässer hat, bekommen die SchülerInnen die Aufgabe eigenständig zu recherchieren. Die Problematik der Versauerung der Gewässer wird immer akuter. Durch die frühe Auseinandersetzung mit dem Thema wird die folgende Generation verantwortungsbewusster und kann Änderungen herbeiführen. 6

7 Lernziele Übergeordnetes Ziel: Die SuS können erklären wie der saure Regen entsteht und kennen die Auswirkung von Sauerem Regen und Versauerung der Gewässer auf die Umwelt. Fachliche Ziele: Die SuS erkennen, dass Säuren Kalk auflösen oder angreifen können. Die SuS erkennen, dass bei der Reaktion von Säure mit Kalk Kohlenstoffdioxid entsteht. Die SuS erkennen, dass Nichtmetalloxide (exemplarisch: Kohlenstoffdioxid, Schwefeldioxid) mit Wasser saure Lösungen bilden. Personale Ziele: Die SuS sind in der Lage ein Experiment durchzuführen und dabei die Sicherheitsvorkehrungen zu beachten. Sie lernen so das selbständige Experimentieren. Soziale Ziele: Die SuS stärken ihre Kooperationsfähigkeit im Rahmen einer Partner- bzw. Gruppenarbeit. 7

8 3. Aufbau der Unterrichtseinheit Fragestellung: Wie versauern die Gewässer und welche Auswirkungen hat dies? Phasen Schüler- Lehreraktivität Material Hinführung L. zeigt eine Muschel mit einer Muschel Problemstellung angegriffenen und leicht aufgelösten Schale. Frage: Was ist passiert? S. führen mögliche Gründe an. Versuchsplanung L. leitet eine Versuchsplanung ein. S. sammeln Ideen. Erarbeitung Problemlösung S. werden in Gruppen eingeteilt und führen den Schülerversuch (V1) durch. S. sammeln Beobachtungen. Arbeitsblatt V1 Kalkstein, Salzsäure, Schutzbrille Ergebnissicherung L. sammelt Beobachtungen und mögliche Erklärungen der Gruppen. Ergebnis: Um Kalk aufzulösen bedarf es einer Säure. Vertiefung L. führt zur Fragestellung: Wie kommt die Säuren ins Wasser? hin. S. erarbeiten die Frage an einem Infotext in Gruppen und tragen sie vor. Infoblatt: Versauerung der Gewässer Arbeitsblätter V2, V3 L. führt Demonstrationsversuche (V2 und V3) vor. S. schreiben Versuchsprotokolle mit Versuchsaufbau, Beobachtung und Ergebnis. Hausaufgabe oder Vertiefung und Präsentation L. gibt Fragestellung vor: Welche weiteren Auswirkungen haben die Versauerung der Gewässer? S. sollen die Frage selbständig in einer Internetrecherche beantworten. 8

9 - Geräte und Materialien: 2 Bechergläser, Reagenzglas mit seitlichem Ansatz, Stopfen, Gummischlauch, Löffel, Glasröhrchen, verd. Salzsäure, Calciumcarbonat, Kalkwasser, Schutzbrille - Skizze: - Versuchsvorbereitung und -durchführung: Quelle: Florian Groß Baue das Stativmaterial auf. Befestige den Gummischlauch an der seitlichen Öffnung des Reagenzglases und spanne es dann vorsichtig an der Halterung ein. Stecke das Glasröhrchen in das andere Ende des Gummischlauchs. Fülle in das Becherglas etwa 1,5 cm hoch Kalkwasser. Fülle etwa 1,5-2 cm hoch verd. Salzsäure in das Reagenzglas und gib mit dem Löffel etwas Calciumcarbonat dazu. Verschließe das Reagenzglas mit dem Stopfen und halte das Ende des Glasröhrchens in das Kalkwasser. - Beobachtung: - Erklärung: - Reaktionsgleichung: Wortgleichung: Formelgleichung: Salzsäure Calciumcarbonat Kalkwasser 9

10 Demonstrationsversuch 1: Schweflige Säure Möglichkeit 1: im Abzug durchführen! Möglichkeit 2: Herstellen von schwefliger S Quelle: Florian Groß Reagenzglas mit Schwefel Erlenmeyerkolben mit Wasser und Universalindikator Standzylinder 1-2 cm hoch mit dest. Wasser füllen und ein paar Tropfen Universalindikator hinzugeben; Verbrennungslöffel mit Schwefel entzünden, in den Standzylinder einführen und mit der Glasplatte verschließen Den Verbrennungslöffel herausziehen und den Standzylinder wieder verschließen Den Erlenmeyerkolben 1-2 cm hoch mit dest. Wasser füllen und ein paar Tropfen Universalindikator hinzugeben; Den Schwefel im Reagenzglas mit dem Brenner erhitzen Bei der Verbrennung von Schwefel entsteht Schwefeldioxid. Das Schwefeldioxid löst sich in Wasser. Es entsteht schweflige Säure. Dies lässt sich durch die Verfärbung des Universalindikators gut veranschaulichen. Didaktische Reduktion: In diesem Zusammenhang wird nicht darauf eingegangen, dass Schweflige Säure mit dem Sauerstoff der Luft zu Schwefelsäure reagiert, und dass schweflige Säure leicht zerfällt. 10

11 Herstellen von Kohlen Demonstrationsversuch 2: Kohlensäure (auch als Schülerversuch möglich) Möglichkeit 1: Möglichkeit 2: Wasser-Max Quelle: Florian Groß W CO 2 - Kartusche Flasche mit Wasser Standzylinder 1-2 cm hoch mit Eiswasser füllen und ein paar Tropfen Universalindikator hinzugeben; Holzstab entzünden, in den Standzylinder einführen und mit der Glasplatte verschließen (mehrmals wieder hohlen); Den Standzylinder vorsichtig leicht schwenken Bei der Verbrennung von Kohlenstoff entsteht Kohlenstoffdioxid. Das Kohlenstoffdioxid löst sich in Wasser. Es entsteht Kohlensäure. Dies lässt sich durch die Verfärbung des Universalindikators gut veranschaulichen. Didaktische Reduktion: In diesem Zusammenhang wird nicht darauf eingegangen, dass Holz nicht aus reinem Kohlestoff besteht, und dass Kohlensäure eine instabile Säure ist. Der Nachweis, dass es sich um Kohlenstoffdioxid handelt, kann durch die Trübungen von Kalkwasser (Calciumhydroxid-Lösung) erbracht werden. 11

12 Informationsblatt Versauerung der Gewässer Die Ursachen für die Versauerung der Gewässer sind unter anderem der Ausstoß von Luftschadstoffen (Emissionen), wie Schwefeldioxid, Kohlenstoffdioxid und Stickstoffoxide. Vor allem die Energiewirtschaft und die Industrie verursachen einen großen Teil der Schwefeldioxidemissionen, da dort schwefelhaltige Brennstoffe verwendet werden. Stickoxide entstehen zum Großteil vom Straßenverkehr, Haushalte und Landwirtschaft tragen ebenfalls dazu bei. 11 Kohlenstoffdioxid entsteht bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe, z.b. Kohle oder Erdöl. Die große Menge an Kohlenstoffdioxid, die entsteht beschleunigt den Treibhauseffekt. Löst sich außerdem das Treibhausgas Kohlenstoffdioxid im Wasser oder im Meer, bildet sich Kohlensäure. Dies führt zu einer Versauerung der Gewässer. Das Schwefeldioxid und die Stickoxide gelangen hingegen in höhere Luftschichten, wo sie sich in den Wolken sammeln. Das Schwefeldioxid löst sich im Regenwasser der Wolken und bildet hier schwefelige Säure. Die Stickoxide lösen sich ebenfalls und bilden ein Gemisch als Salpetersäure und Salpetrige Säure. Dieser saure Regen ergießt sich dann über dem Boden und sickert in das Grundwasser. Dies führt dazu, dass der ph-wert im Grundwasser und in den Gewässern sinkt. Die Versauerung der Gewässer und Seen kann dazu führen, dass empfindliche Lebewesen sterben 12. Eine der auffälligsten Auswirkungen der Gewässerversauerung. ist das Aussterben von Fischen in stark versauerten Gewässern. So leben z.b. in vielen versauerten Seen Nordamerikas und Skandinaviens keine Fische mehr. 13 Die Versauerung der Ozeane z.b. bedroht viele Meeresbewohner. Vor allem Tiere wie die kalkbildenden Korallen und Muscheln, aber auch Seesterne, Seeigel und andere Stachelhäuter leiden unter der Versauerung. Grund dafür ist, dass es in einer sauren Umgebung schwieriger ist eine haltbare Kalkstruktur aufzubauen, die dazu dient ihre Schutzhüllen und Skelette zu bilden 14. Ein weiterer negativer Effekt der Säurebelastung ist die erhöhte Freisetzung toxischer Schwermetalle (z.b. Aluminium, Blei, Mangan, Nickel, Zink) aus anstehenden Gesteinen oder Böden (Stand: 18.Juni 2012) 12 vgl. (Stand: 18.Juni 2012) 13 (Stand: 18.Juni 2012) 14 vgl. (Stand: 18.Juni 2012) 15 (Stand: 18.Juni 2012) 12