Dipl. Ökol . Nina Harsch Fachbereich Chemie und Pharmazie – Institut für Didaktik der Chemie

1. Dipl. Ökol. Nina Harsch FachbereichChemie und Pharmazie – InstitutfürDidaktikderChemie WestfälischeWilhelms-UniversitätMünster Luft und Luftbelastung: Experimente zu den Themen Luft, Treibhauseffekt, Ozon und Saurer Regen Lehrerfortbildung Eine Zusammenstellung von Nina Harsch UniversitätMünster Deutschland 2011

2. Experimente: Übersicht

3. L1 Experimente: Luft • Sauerstoff-Gehalt der Luft • Durchführung: • Weißen Phosphor auf Verbrennungslöffel entzünden • Verbrennungslöffel per Zapfen auf Glasrohr befestigen • Glasrohr in wassergefüllte Wanne stellen • Beobachtung: Wasser steigt auf 1/5 des Glasrohrvolumens • Deutung: Unterdruck bewirkt Aufstieg des Wassers • Weißer Phosphor verbrennt unter Sauerstoffverbrauch • zu Rotem Phosphor: P4 + 5 O2→ P4O10 • Sauerstoffgehalt im Glasrohr: • Vor Verbrennung: 21 % Sauerstoff • Nach Verbrennung: – 21 % Sauerstoff • Die Verbrennungswärme bewirkt eine Gasausdehnung im Rohr. • Der finale Wasserstand im Rohr wird somit erst nach Abkühlung erreicht. • Die Luft, Versuch 2, • Educa (2005).

4. O1 Experimente: Ozon • Ozon-Erzeugung Ziel: O2 → 2 O* O* + O2 → O3 • Variante A: O2 → 2 O* • UV-C-Strahlung (ideal: 184,9 nm) • Quecksilberdampf- • Niederdrucklampe λ • Variante B:O2 → O2+ + e– → 2 O* • Sauerstoff-Ionisierung durch Elektrophorese / Korona-Entladung • Elektronenwanderung durch Elektrisches Feld (Draht → Gitter) • Sauerstoff wird darüber geleitet • Große Feldstärke zwischen Draht und Gas • Sauerstoffmoleküle werden ionisiert • Ozonisator: Nach: www.elektro-wissen.de (verändert) • JürgenNeppeElectronic Sources, Thailand (VerkaufüberEbay).

5. O2 Experimente: Ozon • Ozon-Nachweis mit Indigocarmin • Indigocarmin-Lösung: • nicht lange haltbar, da lichtempfindlich • blau gefärbt • 0,03 mg Indigocarmin auf 75 ml aqua dest • _____(bei höherer Konzentration wäre die Färbung zu stark) • Beobachtung: Einleiten von Ozon bewirkt Entfärbung • Deutung:Ozon spaltet Doppelbindungen Vergleiche auch: Spaltung von Gummi durch Ozon Parchmann, I.: Behandlung des Themas Ozon im Chemieunterricht mit Hilfe anschaulicher Experimente (Versuch 3). Plus Lucis, 1997.

6. O3a Experimente: Ozon • Ozon-Nachweis mit Kaliumiodid und Stärke • Variante A:Filterpapier (angefeuchtet) • Variante B:Lösung (lagerbar) • 0,5 g Stärke in 100 ml Wasser aufkochen und abkühlen • 0,5 g Kaliumiodid hinzugeben, abfiltrieren • Beobachtung: Kontakt mit Ozon bewirkt Blaufärbung • Deutung: • Ozon ist ein starkes Oxidationsmittel und oxidiert Iodid zu Iod. • Iod bildet zusammen mit Stärke einen blau-braunen Komplex. • O3 + H2O → H2O2 + O2 • 2 I– + H2O2 → I2 + 2 OH– vorher: Lehrmittel Reinhold, Art. Nr. 5801285 nachher:

7. O3b Experimente: Ozon • Ozonabbau durch Chloroform λ CHCl3 → Cl●+ CHCl2● 1 Chlor-Radikal kann bis zu 100.000 Ozonmoleküle spalten! Durchführung: 2 Kolben (O3, CHCl3), Nachweisreagenz Ozonnachweis positiv: Kaliumiodid-Stärke-Lösung blau Chloroform: Erwärmung (Föhn) flüssig → gasförmig Chloroform + Ozon: Ozonabbau durch Chlor-Radikale Ozonnachweis negativ: Kaliumiodid-Stärke-Lösung farblos Cl●+ O3 → O2 + ClO ClO + O* → O2 + Cl ●

8. O4 Experimente: Ozon • Ozonentstehung und Abbau • Durchführung: (in abgedunkeltem Raum) • Ozonisator und UV-Lampe einschalten • Sauerstoff durch Ozonisator leiten (5 min) • Chloroform durch Ozonisator leiten • Beobachtung: • Sauerstoff-Einleitung: graue „Wölkchen“ auf DC-Platte • Chloroform-Einleitung: kein Effekt auf DC-Platte • Deutung: • Ozonisator: Sauerstoff wird in Ozon umgewandelt • Ozon absorbiert UV-B-Strahlung der Lampe => Schatten auf DC-Platte • Ozonisator: Chloroform baut Ozon ab • UV-B-Strahlung gelangt komplett zur DC-Platte => keine Schatten mehr Nach: Tausch, Online-Materialien zum Thema Ozon, Versuch 1.1, Universität Duisburg (verändert)

9. T1 Experimente: Treibhauseffekt • Treibhauspotential verschiedener Gase • Durchführung: • Mehrere Rundkolben mit verschiedenen Gasen befüllen • z.B.: N2, O2, CO2, O3, NOx, SO2, Luft (normal / gesättigt) • → wasserdampfgesättigte Luft: einige Tropfen H2O in Kolben geben und schütteln • Kolben verschließen und mit Infrarotlampen bestrahlen • Temperaturverläufe in den Kolben über 5 min messen • Beobachtung: Temperaturänderung je Gas unterschiedlich • Deutung: • Treibhausgase absorbieren • Wärmestrahlung. Dadurch • erhöht sich die Temperatur • in den jeweiligen Kolben um • bis zu 5 °C.

10. T2 Experimente: Treibhauseffekt • Wärmedurchlässigkeitverschiedener Gase • Aufbau: • Papprohr beidseitig dicht mit Frischhaltefolie verschließen • Oberseite: Evtl. Löcher für Gas-Einlass und Gas-Auslass • Heizplatte: Volle Leistung • Durchführung: • Blindprobe: IR-Messung mit und ohne Rohr (50 cm Distanz) • Beide Werte liegen bei rund 70°C, Rohr und Folie haben somit keinen störenden Einfluss • Rohr mit jeweils zu testendem Gas befüllen • Rohr verschließen und IR-Durchlässigkeit je Gas messen • Beobachtung: IR-Durchlässigkeit je Gas unterschiedlich • Deutung: Treibhausgase absorbieren Wärmestrahlung. Dadurch fällt • die IR-Messung hinter dem Rohr bei Treibhausgasen geringer aus. • Beispiel CO2: ΔT = 10°C

11. T3 Experimente: Treibhauseffekt • Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid in Wasser • Durchführung: • Wassergefüllten Messkolben mit Öffnung nach unten in wassergefüllten Behälter hängen (kein Bodenkontakt) • Brausetablette unter Kolbenöffnung legen • Nach Verbrauch: Weitere Brausetablette • Beobachtung: • Tablette 1: Wasserstand im Kolben sinkt kaum • Tablette 2: Wasserstand im Kolben sinkt stark • Deutung: • Kohlenstoffdioxid löst sich in Wasser: CO2 + H2O → H2CO3 • Tablette 1: Es kann noch viel CO2 im Wasser gelöst werden • Tablette 2: Wasser ist weitgehend gesättigt, d.h. kaum Lösung • Variante: Unterschiedliche Temperaturen. Wärmeres Wasser: Weniger CO2 in Lösung.

12. S1 Experimente: Saurer Regen • Stickoxid-Erzeugung und Nachweis • Erzeugung: • Halbkonzentrierte Salpetersäure auf Kupferspäne tropfen. Es entstehen Stickstoffmonoxid, Wasser und Kupfer(II)-Nitrat (blau): 3 Cu + 8 HNO3 → 2 NO + 4 H2O + 3 Cu(NO3)2 • Stickstoffmonoxid (farblos) reagiert mit Luftsauerstoff zu Stickstoffdioxid (rotbraun): 2 NO + O2 → 2 NO2 HNO3 Cu • Nachweis: Saltzmann-Reagenz (dunkel und kühl mehrere Wochen lagerbar) • Bei Einleitung von Stickoxiden entsteht ein roter Azofarbstoff Saltzmann • 0,05 g N-(1-Naphthyl)-ehtylendiamin-dihydrochlorid und 5 g Sulfanilsäure mit etwas aqua dest in 1 l Messkolben spülen. • 50 ml konzentrierte Essigsäure dazugegeben und mit aqua dest bis Eichmarke auffüllen • 30 min rühren (ohne Heizung), bis eine farblose, klare Flüssigkeit vorliegt Nach: http://www.chemieunterricht.de(verändert)

13. S2 Experimente: Saurer Regen • Schwefeldioxid-Erzeugung und Nachweis • Erzeugung: • Etwas Schwefel auf einem Verbrennungslöffel entzünden. • Es entstehen Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid. • S8+ 8 O2 → 8 SO2 • 2 SO2 + O2 → 2 SO3 Sulfur S8 in 3D. www.green-planet-solar-energy.com • Nachweis: • Universalindikator • in Wasser lösen. • Rotfärbung zeigt • Säure-Bildung an. • SO2+ H2O → H2SO3 • SO3+ H2O → H2SO4

14. S3 Experimente: Saurer Regen • Wirkung von Saurem Regen auf Metall • Durchführung: • Schwefelsäure auf Watte geben, Eisenteile darauf legen • Einige Tage verschlossen im Einmachglas stehen lassen • Beobachtung: Bildung einer rot-braunen Oxidschicht (Rost) • Deutung: Säurekorrosion. • Die Protonen der Säure • entziehen dem Metall • Elektronen: • Fe + 2 H3O+ • Fe2+ + 2 H2O + H2 • Das Metall wird oxidiert. 0,1-molar 0,5-molar

15. S4 Experimente: Saurer Regen • Auftrieb warmer Luft (thermische Verfrachtung) • Durchführung: • Teebeutel aufschneiden, entleeren und auffalten • Mit Öffnung nach oben aufstellen und oben anzünden • Beobachtung: Nach kurzer Zeit steigt der Beutel auf • Deutung: • Warme Luft (Beutel) hat eine geringere Dichte, als kalte Luft • (Umgebung). Es entsteht ein natürlicher Auftrieb. • Aufstieg des Beutels: Auftriebskraft > Gravitationskraft