Umwelt- und Atmosphärenchemie (CHE-Um) — Chemie · Matura-Zusammenfassung

Treibhauseffekt, $\ce{CO2}$ und Klimawandel#

~4 Min LesezeitStandardCHE-Um-11.1

Der Treibhauseffekt ist zunächst lebensnotwendig: Ohne ihn läge die mittlere Temperatur der Erdoberfläche bei

-18

statt bei

+15

°C. Das Problem ist nicht der Effekt selbst, sondern seine anthropogene Verstärkung durch zusätzliche Treibhausgase ().

Treibhauseffekt - Energiebilanz

Abb. 1Kurzwellige Sonnenstrahlung passiert die Atmosphäre; Treibhausgase absorbieren langwellige Wärmestrahlung.

Abb. 1 ↓

Der Mechanismus ist ein Strahlungsfilter: Die kurzwellige Sonnenstrahlung (sichtbares Licht, UV) durchdringt die Atmosphäre weitgehend und erwärmt die Erdoberfläche. Diese strahlt die Wärme als langwellige Infrarotstrahlung zurück. Treibhausgase absorbieren genau diese IR-Strahlung in bestimmten Schwingungsmoden ihrer Moleküle und geben sie teils zur Erde zurück - die Wärme bleibt in der Troposphäre.

Wirksame Treibhausgase sind mehratomige Moleküle mit veränderlichem Dipolmoment:

\ce{CO2}

,

\ce{CH4}

,

\ce{H2O}

,

\ce{N2O}

, Ozon und die FCKW. Die zweiatomigen Hauptbestandteile der Luft (

\ce{N2}

,

\ce{O2}

) absorbieren dagegen keine IR-Strahlung und tragen nichts bei.

Der Mensch verstärkt den Effekt vor allem durch

\ce{CO2}

: Seine Konzentration stieg von 280 ppm (vorindustriell) auf über 420 ppm (2024), die globale Mitteltemperatur um rund 1,2 °C. Hauptquellen sind die Verbrennung fossiler Brennstoffe, die Zementherstellung und die Entwaldung; natürliche Senken sind die Photosynthese der Pflanzen und die Lösung im Ozean (als

\ce{HCO3-}

).

Nicht jedes Gas wirkt gleich stark. Das Treibhauspotenzial (GWP) vergleicht die Wirkung relativ zu

\ce{CO2}

: Methan ist über 100 Jahre etwa 28-mal, Lachgas rund 270-300-mal so wirksam, FCKW noch weit stärker (aber durch das Montrealer Protokoll begrenzt). Methan hat zwar eine kürzere atmosphärische Lebensdauer, ist aber pro Molekül deutlich potenter.

Quantitativ lässt sich der Beitrag berechnen: Pro Liter verbranntem Benzin entstehen rund 2,3 kg

\ce{CO2}

(siehe Rechenbeispiel). Wichtig für die Matura ist die Abgrenzung zum Ozonloch - das ist ein eigenes Phänomen (UV-Schutz, nächster Abschnitt) und darf nicht mit dem Klimawandel verwechselt werden.

Vokabeln

→ Kartei

TreibhausgasGas, das Infrarotstrahlung absorbiert und wieder abgibt; dazu zählen $\ce{CO2}$, $\ce{CH4}$, $\ce{N2O}$ und Wasserdampf.
natürlicher TreibhauseffektErwärmung der Erdoberfläche um rund 33 K durch die vorindustrielle Atmosphäre.
anthropogener TreibhauseffektZusätzliche Erwärmung durch vom Menschen freigesetzte Treibhausgase.
TreibhauspotenzialGWP: Klimawirkung eines Gases im Vergleich zu $\ce{CO2}$ über einen festgelegten Zeitraum.
IR-aktivFähigkeit eines Moleküls, Infrarotstrahlung zu absorbieren; setzt eine Schwingung mit veränderlichem Dipolmoment voraus.
RückkopplungProzess, der eine Änderung verstärkt oder dämpft; Wasserdampf verstärkt die Erwärmung.

Verbrennung Octan (Hauptkomponente Benzin)

\ce{C8H18 + 12{,}5 O2 -> 8 CO2 + 9 H2O}

$\ce{C8H18}$ steht stellvertretend für das Benzingemisch. Der gebrochene Koeffizient 12,5 ist zulässig, solange die Bilanz stimmt; verdoppelt man alle Zahlen, wird sie ganzzahlig. Aus einem Liter Benzin (rund 0,75 kg) entstehen so etwa 2,3 kg $\ce{CO2}$ - mehr als das Dreifache der eingesetzten Masse, weil der Sauerstoff aus der Luft dazukommt.

Der Start lädt die Simulation von PhET (University of Colorado).Bei PhET öffnen ↗

Musterbeispiel

CO2-Emission einer Autofahrt berechnen

Berechne die $\ce{CO2}$ -Emission für eine Fahrt von $100\,\text{km}$ bei einem Verbrauch von $6\,\text{L}$ Benzin (Dichte $0{,}75\,\tfrac{\text{kg}}{\text{L}}$ , näherungsweise als Octan $\ce{C8H18}$ behandelt).

Masse und Stoffmenge Octan
Masse: $6\,\text{L} \cdot 0{,}75\,\tfrac{\text{kg}}{\text{L}} = 4{,}5\,\text{kg} = 4500\,\text{g}$ . Molmasse $\ce{C8H18}$ : $8 \cdot 12 + 18 \cdot 1 = 114\,\tfrac{\text{g}}{\text{mol}}$ , also $n = \tfrac{4500}{114} = 39{,}5\,\text{mol}$ .
Stöchiometrie der Verbrennung
Aus $\ce{C8H18 + 12{,}5 O2 -> 8 CO2 + 9 H2O}$ folgt: $1$ mol Octan liefert $8$ mol $\ce{CO2}$ , also $n(\ce{CO2}) = 8 \cdot 39{,}5 = 316\,\text{mol}$ .
$\ce{C8H18 + 12{,}5 O2 -> 8 CO2 + 9 H2O}$
Masse CO2
Molmasse $\ce{CO2} = 44\,\tfrac{\text{g}}{\text{mol}}$ : $m(\ce{CO2}) = 316\,\text{mol} \cdot 44\,\tfrac{\text{g}}{\text{mol}} \approx 13\,900\,\text{g} \approx 13{,}9\,\text{kg}$ .

Ergebnis: Die Fahrt erzeugt rund $13{,}9\,\text{kg}\ \ce{CO2}$ - also etwa $2{,}3\,\text{kg}\ \ce{CO2}$ pro Liter Benzin. Dieser Richtwert ( $\approx 2{,}3\,\tfrac{\text{kg}}{\text{L}}$ ) ist eine prüfungsrelevante Faustzahl und verknüpft das Thema mit "Stöchiometrie" und "Reaktionsenergetik".

Schritt-für-Schritt Erklärung3 Schritte

1
Der Treibhauseffekt ist im Grunde gut - ohne ihn wäre die Erde ein Eisklumpen.
Treibhauseffekt - Energiebilanz
Abb.Kurzwellige Sonnenstrahlung passiert die Atmosphäre; Treibhausgase absorbieren langwellige Wärmestrahlung.
2
Problematisch ist die anthropogene Verstärkung - $\ce{CO2}$ hat sich seit der Industrialisierung um 50 % erhöht.
3
Methan ist klein, aber wirksam - rund 28-mal stärker als $\ce{CO2}$ (GWP100, AR6), dafür kürzere Lebensdauer.

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank6 Punkte

Aufgabenstellung

Erläutere den Treibhauseffekt aus chemischer Sicht und nenne drei wichtige anthropogene Treibhausgase mit Quellen.

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Maturafokus

Trenne den natürlichen vom anthropogenen Treibhauseffekt: Der natürliche hebt die Mitteltemperatur um rund 33 K und ist Lebensvoraussetzung, der anthropogene verstärkt ihn zusätzlich.
Erkläre die Wirkung molekular: Mehratomige Gase besitzen Schwingungen, deren Anregung im Infraroten liegt - $\ce{N2}$ und $\ce{O2}$ sind als symmetrische zweiatomige Moleküle IR-inaktiv.
Rechne einen $\ce{CO2}$ -Ausstoß stöchiometrisch nach: Ein Liter Benzin setzt bei vollständiger Verbrennung rund 2,3 kg $\ce{CO2}$ frei.
Verwende das Treibhauspotenzial (GWP) als Vergleichsgröße und nenne den Bezugszeitraum - Methan liegt über 100 Jahre bei etwa dem Dreißigfachen von $\ce{CO2}$ .
Halte Ozonloch und Treibhauseffekt strikt auseinander; es sind verschiedene Phänomene mit verschiedenen Verursachern.

Typische Fehler

Ozonloch und Klimawandel werden gleichgesetzt. Das Ozonloch betrifft die UV-Durchlässigkeit der Stratosphäre, der Treibhauseffekt die Abstrahlung von Wärmestrahlung.
Wasserdampf wird als steuerbare anthropogene Größe dargestellt. Er ist das stärkste Treibhausgas, aber eine RÜCKKOPPLUNG - seine Menge folgt der Temperatur, nicht dem Emittenten.
Das GWP von Methan wird mit dem von $\ce{CO2}$ verwechselt oder ohne Zeithorizont genannt; über 20 Jahre fällt der Wert deutlich höher aus als über 100.
Der natürliche Treibhauseffekt wird als schädlich beschrieben. Ohne ihn läge die globale Mitteltemperatur bei etwa $-18$ °C.
Der Treibhauseffekt wird als „Wärmestau unter einer Glasscheibe" erklärt. Ein Glashaus unterbindet die Konvektion; die Atmosphäre absorbiert und reemittiert Infrarotstrahlung.

Aktive Wiederholung

Berechne die $\ce{CO2}$ -Emission pro 100 km Autofahrt bei 6 L/100 km Benzinverbrauch.

Passende Aufgaben üben50 Fragen zum Thema

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Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Quellen: IPCC AR6 - Synthesis Report (IPCC)

Ozonschicht, FCKW und Montrealer Protokoll#

~4 Min LesezeitStandardCHE-Um-11.1

Hoch oben in der Stratosphäre (15-30 km) liegt eine dünne Ozonschicht, die das Leben auf der Erde schützt: Sie absorbiert die energiereiche UV-B- und UV-C-Strahlung der Sonne, die sonst DNA schädigen und Hautkrebs auslösen würde. Wichtig ist die Unterscheidung - dieses stratosphärische Ozon schützt, während bodennahes Ozon im Sommersmog ein Schadstoff ist.

Natürlich entsteht und zerfällt Ozon in einem Gleichgewicht, dem Chapman-Zyklus: UV-Strahlung spaltet

\ce{O2}

in Sauerstoffatome (

\ce{O2 ->[h\nu] 2 O}

), die sich mit weiterem

\ce{O2}

zu Ozon verbinden (

\ce{O + O2 -> O3}

); Ozon wird durch UV wieder gespalten. Bei jedem Schritt wird UV-Energie in Wärme umgewandelt - das ist der Schutzmechanismus.

Gestört wird dieses Gleichgewicht durch Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), früher als Kältemittel und Treibgase verwendet. Sie sind so reaktionsträge, dass sie unzersetzt bis in die Stratosphäre aufsteigen. Dort spaltet die energiereiche UV-Strahlung ein Chloratom ab:

\ce{CFCl3 ->[h\nu] CFCl2^{*} + Cl^{*}}

.

Das freigesetzte Chlorradikal startet einen katalytischen Abbau-Kreislauf ():

\ce{Cl^{*} + O3 -> ClO + O2}

, dann

\ce{ClO + O -> Cl^{*} + O2}

. Entscheidend ist, dass das Chloratom am Ende zurückgebildet wird - es wird nicht verbraucht, sondern kann den Zyklus bis zu 100.000-mal durchlaufen. So zerstören schon winzige FCKW-Mengen riesige Ozonmengen.

Katalytischer Ozonabbau durch Chlorradikale

Abb. 2Ein Chlorradikal zerstört Ozon und wird dabei immer wieder zurückgebildet; jeder Umlauf setzt

\ce{O2}

frei. Der Kreislauf macht schon winzige FCKW-Mengen verheerend wirksam.

Abb. 2 ↓

Besonders dramatisch ist das Ozonloch über der Antarktis: In den extrem kalten polaren Stratosphärenwolken sammeln sich im Polarwinter Chlorverbindungen an, die mit der ersten Frühjahrssonne schlagartig den Ozonabbau auslösen. Der Verlust ist dort saisonal am stärksten.

Die Lösung war politisch: Das Montrealer Protokoll (1987) verbot FCKW schrittweise weltweit und ersetzte sie durch ozonschonende Stoffe (HFKW, HFO, natürliche Kältemittel). Es gilt als das erfolgreichste Umweltabkommen der Geschichte - die Ozonschicht erholt sich langsam, eine vollständige Schließung des Lochs wird gegen 2060 erwartet.

Vokabeln

→ Kartei

StratosphäreAtmosphärenschicht zwischen etwa 15 und 50 km Höhe; sie beherbergt die Ozonschicht.
OzonDreiatomiges Sauerstoffmolekül $\ce{O3}$; in der Stratosphäre UV-Schutz, bodennah Reizgas.
FCKWFluorchlorkohlenwasserstoffe; reaktionsträge Kältemittel und Treibgase, die in der Stratosphäre Chlorradikale freisetzen.
PhotolyseSpaltung einer Bindung durch Lichtabsorption; in der Stratosphäre durch kurzwelliges UV.
katalytischer ZyklusReaktionsfolge, in der der Katalysator zurückgebildet wird und deshalb vielfach wirkt.
Montrealer ProtokollInternationales Abkommen von 1987 zum Ausstieg aus ozonschädigenden Stoffen.

Photolyse eines FCKW

\ce{CFCl3 ->[h\nu] CFCl2^{*} + Cl^{*}}

$h\nu$ ist die Energie eines UV-Photons; der hochgestellte Stern kennzeichnet das ungepaarte Elektron eines Radikals. Nur die kurzwellige UV-C-Strahlung der Stratosphäre reicht aus, die C-Cl-Bindung zu spalten - in Bodennähe bleiben FCKW deshalb jahrzehntelang unverändert.

Katalytische Ozonzersetzung

\ce{Cl^{*} + O3 -> ClO + O2};\;\;\ce{ClO + O -> Cl^{*} + O2}

Im ersten Schritt reißt das Chlorradikal ein Sauerstoffatom aus dem Ozon, im zweiten gibt das entstandene $\ce{ClO}$ es an ein freies Sauerstoffatom ab. In der Summe verschwindet Ozon, das Chloratom wird zurückgebildet - es wirkt katalytisch und kann bis zu $10^{5}$ Ozonmoleküle zerstören.

Musterbeispiel

Katalytischen Ozonabbau als Kreislauf verstehen

Gib die beiden Teilreaktionen des chlorkatalysierten Ozonabbaus an, bilde die Nettoreaktion und begründe, warum Chlor ein Katalysator ist.

Teilreaktion 1
$\ce{Cl^{*} + O3 -> ClO + O2}$ - das Chlorradikal entreißt dem Ozon ein Sauerstoffatom.
Teilreaktion 2
$\ce{ClO + O -> Cl^{*} + O2}$ - das ClO reagiert mit einem freien O-Atom und gibt das Cl-Radikal zurück.
Addition
Cl und ClO kürzen sich heraus, es bleibt die Nettoreaktion $\ce{O3 + O -> 2 O2}$ .
Katalysator-Argument
Chlor wird in Schritt 1 verbraucht und in Schritt 2 zurückgebildet; es erscheint nicht in der Nettogleichung - das ist genau die Definition eines Katalysators.

Ergebnis: Nettoreaktion $\ce{O3 + O -> 2 O2}$ ; Chlor wird zurückgebildet und ist damit Katalysator (Abb. 2). Diese Regeneration erklärt, warum ein einzelnes Cl-Atom bis zu 100.000 Ozonmoleküle zerstören kann.

Schritt-für-Schritt Erklärung3 Schritte

1
Stratosphärische Ozonschicht ist unser UV-Filter - ohne sie wäre Leben auf Land kaum möglich.
2
FCKW sind die Schurken - chemisch unauffällig, aber in 30 km Höhe katastrophal wirksam.
3
Das Montrealer Protokoll zeigt: Globale Probleme können mit Wissenschaft und Diplomatie gelöst werden.

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank5 Punkte

Aufgabenstellung

Erläutere die Bedeutung der Ozonschicht und beschreibe, wie FCKW zu ihrer Schwächung beitragen.

Deine Antwortwird nicht automatisch bewertet

Typische Fehler

Ozonloch und Treibhauseffekt werden verwechselt; die Fragestellungen, Stoffe und Höhenbereiche sind verschieden.
Die Ozonschicht wird in der Troposphäre verortet. Sie liegt in der Stratosphäre; bodennahes Ozon ist ein Schadstoff, kein Schutz.
Das Chloratom gilt nach einer Reaktion als verbraucht. Es wird im zweiten Teilschritt zurückgebildet und zerstört so bis zu $10^{5}$ Ozonmoleküle.
FCKW werden als „giftig" beschrieben. Gerade ihre Ungiftigkeit und Reaktionsträgheit machten sie beliebt - und ließen sie unzersetzt bis in die Stratosphäre steigen.
Das Ozonloch wird als Loch im Wortsinn beschrieben. Gemeint ist eine starke saisonale Ausdünnung, keine Öffnung.

Aktive Wiederholung

Erläutere den katalytischen Abbau von Ozon durch FCKW und begründe die globale Wirkung schon kleiner Mengen.

Passende Aufgaben üben50 Fragen zum Thema

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Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Quellen: UNEP Ozone Secretariat (UNEP)

Wasserchemie und Trinkwasseraufbereitung#

~4 Min LesezeitStandardCHE-Um-11.2

Sauberes Trinkwasser ist nicht selbstverständlich - es muss aufbereitet und überwacht werden. Die Trinkwasserverordnung legt Grenzwerte fest, etwa 50 mg/L für Nitrat, 10 µg/L für Blei, sehr niedrige Werte für Pestizide und praktisch keine krankheitserregenden Keime. Die Chemie liefert die Verfahren, diese Werte einzuhalten.

Die Trinkwasseraufbereitung läuft in mehreren Stufen: zuerst mechanische Filtration (Sand, Kies), dann chemische Fällung (Eisen- und Phosphatentfernung), anschließend Aktivkohle (bindet organische Spurenstoffe und Geruchsstoffe) und zuletzt eine Desinfektion gegen Keime - mit Chlor, Chlordioxid, Ozon oder UV-Licht.

Bei der Chlordesinfektion bildet sich in Wasser hypochlorige Säure,

\ce{Cl2 + H2O <=> HClO + HCl}

; das

\ce{HClO}

ist das eigentliche keimtötende Oxidationsmittel. Es zerstört Bakterien zuverlässig und wirkt im Leitungsnetz nach - ein Vorteil gegenüber der rückstandsfreien, aber nicht nachwirkenden UV-Entkeimung.

Wie stark ein Gewässer organisch belastet ist, misst man über den biochemischen Sauerstoffbedarf (BSB - die Sauerstoffmenge, die Mikroorganismen zum Abbau verbrauchen) und den chemischen Sauerstoffbedarf (CSB - bestimmt durch Oxidation mit

\ce{K2Cr2O7}

). Hohe Werte zeigen viel abbaubares organisches Material an.

Eine zentrale Belastung ist die Eutrophierung: Überschüssige Nährstoffe (Stickstoff und Phosphor aus Düngung und Abwasser) lösen eine Algenblüte aus. Beim mikrobiellen Abbau der absterbenden Algen wird der gelöste Sauerstoff aufgezehrt - es folgen Sauerstoffmangel, Fischsterben und im Extremfall das „Umkippen" des Gewässers.

Die Kläranlage kehrt diesen Prozess um: mechanische Reinigung (Rechen, Sandfang), biologische Stufe (Belebtschlamm baut organische Stoffe ab), chemische Stufe (Phosphatfällung, Stickstoffentfernung) und zunehmend eine vierte Stufe gegen Mikroschadstoffe (Medikamentenreste). Schwermetalle wie Quecksilber, Cadmium und Blei sind besonders heikel, weil sie sich in der Nahrungskette anreichern (Bioakkumulation, Biomagnifikation).

Vokabeln

→ Kartei

EutrophierungÜberdüngung eines Gewässers mit Nährstoffen; sie führt über die Algenblüte zum Sauerstoffmangel.
BSBBiochemischer Sauerstoffbedarf; Sauerstoffmenge, die Mikroorganismen zum Abbau der Inhaltsstoffe verbrauchen.
CSBChemischer Sauerstoffbedarf; Sauerstoffäquivalent aller chemisch oxidierbaren Inhaltsstoffe.
BelebtschlammBakterienreicher Schlamm der biologischen Reinigungsstufe; er baut gelöste organische Stoffe ab.
BioakkumulationAnreicherung schwer abbaubarer Stoffe in Organismen und entlang der Nahrungskette.
hypochlorige Säure$\ce{HClO}$; die eigentlich desinfizierend wirkende Form des im Wasser gelösten Chlors.

Chlordesinfektion: HClO (hypochlorige Säure) ist das eigentliche Oxidations- und Desinfektionsmittel

\ce{Cl2 + H2O <=> HClO + HCl}

Chlorgas disproportioniert im Wasser: Ein Chloratom wird zu $\ce{HClO}$ oxidiert (Oxidationszahl +I), das andere zu $\ce{HCl}$ reduziert ( $-$ I). Die hypochlorige Säure ist ungeladen, durchdringt Zellmembranen und oxidiert dort - das Chlorid-Ion wirkt nicht desinfizierend.

Musterbeispiel

Nitratgrenzwert prüfen

Eine Wasserprobe enthält $0{,}90\,\text{mmol/L}$ Nitrat ( $\ce{NO3-}$ ). Liegt sie unter dem Trinkwassergrenzwert von $50\,\text{mg/L}$ ? ( $M(\ce{NO3-})=62\,\tfrac{\text{g}}{\text{mol}}$ )

Einheit umrechnen
$c = 0{,}90\cdot 10^{-3}\,\tfrac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot 62\,\tfrac{\text{g}}{\text{mol}} = 0{,}0558\,\tfrac{\text{g}}{\text{L}} = 55{,}8\,\tfrac{\text{mg}}{\text{L}}$ .
Vergleich
$55{,}8\,\text{mg/L} > 50\,\text{mg/L}$ - der Grenzwert ist überschritten.

Ergebnis: Die Probe enthält rund 55,8 mg/L Nitrat und überschreitet damit den Grenzwert von 50 mg/L; als Trinkwasser ist sie nicht zugelassen. Hauptquelle für Nitrat ist die landwirtschaftliche Düngung.

Schritt-für-Schritt Erklärung3 Schritte

1
Trinkwasseraufbereitung ist Chemie im Dienst der Gesundheit - mechanisch, biologisch, chemisch.
2
Eutrophierung ist ein chemisches Domino - Phosphat -> Algen -> Sauerstoffmangel -> Fischsterben.
3
Schwermetalle reichern sich entlang der Nahrungskette an - ein Glas Sushi-Thunfisch kann mehr Hg enthalten als ein See voller Plankton.

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank5 Punkte

Aufgabenstellung

Beschreibe das Phänomen der Eutrophierung und seine chemischen Ursachen.

Deine Antwortwird nicht automatisch bewertet

Typische Fehler

„Mineralwasser" wird als mineralstofffrei verstanden. Es ist im Gegenteil ein Wasser mit natürlichem Gehalt an gelösten Mineralstoffen.
BSB und CSB werden vertauscht oder gleichgesetzt; ihr Verhältnis ist gerade das Maß für die biologische Abbaubarkeit einer Belastung.
Die Algenblüte wird als direkte Vergiftung beschrieben. Der Schaden entsteht indirekt über den Sauerstoffmangel beim mikrobiellen Abbau der abgestorbenen Biomasse.
Wasserhärte gilt als Verunreinigung. Calcium und Magnesium sind gesundheitlich unbedenklich; das Problem ist technischer Natur.
Die Chlorung wird als Filterung beschrieben. Sie ist eine Oxidation, die Mikroorganismen abtötet, aber gelöste Stoffe nicht entfernt.

Aktive Wiederholung

Beschreibe die Schritte einer modernen Kläranlage und ihre chemischen Prinzipien.

Passende Aufgaben üben50 Fragen zum Thema

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Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Quellen: BMK Wassermonitoring (BMK)

Recycling, Mikroplastik und Kreislaufwirtschaft#

~4 Min LesezeitStandardCHE-Um-11.3

Eine wachsende Weltbevölkerung mit endlichen Rohstoffen zwingt zum Umdenken: weg von der linearen Wegwerf-Ökonomie („nehmen - herstellen - wegwerfen") hin zur Kreislaufwirtschaft, in der Materialien immer wieder genutzt werden. Die Chemie liefert dafür die Recyclingverfahren und neue, abbaubare Werkstoffe.

Nicht alle Strategien sind gleichwertig. Die Abfallhierarchie ordnet sie: Vermeidung steht an erster Stelle, dann Wiederverwendung (Mehrweg), dann stoffliches Recycling, danach die thermische Verwertung (Verbrennung mit Energiegewinnung) und zuletzt die Deponie. Je weiter oben, desto besser für Ressourcen und Klima.

Beim werkstofflichen Recycling wird das Material eingeschmolzen oder zerfasert und neu geformt. Glas und Aluminium lassen sich nahezu unbegrenzt und ohne Qualitätsverlust recyceln (Aluminium spart dabei 95 % der Primärenergie); bei PET und Papier verkürzen sich die Polymer- bzw. Faserketten mit jedem Zyklus, sodass die Qualität allmählich sinkt.

Wo das werkstoffliche Recycling an Grenzen stößt, hilft das chemische Recycling: Durch Pyrolyse oder Solvolyse werden die Polymerketten wieder bis zu den Monomeren oder kleinen Bausteinen gespalten, aus denen sich vollwertiger neuer Kunststoff aufbauen lässt. Das ist energieaufwendiger, dafür qualitativ verlustfrei.

Ein ungelöstes Problem ist das Mikroplastik - Kunststoffpartikel kleiner als 5 mm. Es entsteht primär (Reifenabrieb, Kosmetik) und sekundär (durch UV-Strahlung und mechanische Zerkleinerung größerer Teile). Mikroplastik ist heute in allen Meeren, in Böden und sogar im menschlichen Blut nachweisbar - ein aktuelles Forschungsfeld.

Alternativen sind biobasierte und abbaubare Kunststoffe wie Polylactid (PLA, aus Milchsäure) oder PHA - Achtung: „biologisch abbaubar" heißt meist nur unter Industriekompost-Bedingungen, nicht im Gartenkomposter oder im Meer. Auf der Klimaseite versucht man,

\ce{CO2}

abzutrennen und zu speichern (CCS) oder als Rohstoff zu nutzen (CCU, etwa zu Methanol oder Polymeren).

Vokabeln

→ Kartei

werkstoffliches RecyclingAufbereitung und Umschmelzen eines Kunststoffs zum gleichen Polymer; nur bei Thermoplasten möglich.
rohstoffliches RecyclingChemischer Abbau eines Polymers zu Monomeren oder Synthesegas als neue Rohstoffe.
SortenreinheitTrennschärfe der gesammelten Fraktion; sie bestimmt die erreichbare Qualität des Rezyklats.
biobasiertAus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt; sagt nichts über die Abbaubarkeit aus.
MikroplastikKunststoffpartikel unter 5 mm; entsteht primär als Zusatzstoff oder sekundär durch Zerfall größerer Teile.
KreislaufwirtschaftWirtschaftsmodell, das Stoffe im Kreis führt statt sie nach einmaliger Nutzung zu entsorgen.

Chemisches Recycling von PET

\ce{PET\,(Granulat) ->[\text{280 °C, Glykolyse}] Monomere ->[\text{Repolymerisation}] neues PET}

Die Pfeile benennen die beiden Verfahrensschritte. Im ersten wird die Polymerkette mit Glykol unter Hitze wieder in ihre Bausteine zerlegt (Depolymerisation), im zweiten werden diese gereinigt und erneut zu PET verknüpft. Anders als beim Umschmelzen entsteht dabei Neuware-Qualität, weil Verunreinigungen auf der Monomerstufe abgetrennt werden.

Musterbeispiel

Energieeinsparung durch Aluminium-Recycling

Die Primärherstellung von Aluminium benötigt ca. 15 kWh/kg, das Recycling nur etwa 5 % davon. Berechne die Energieeinsparung beim Recycling von 1,0 t Aluminium.

Primärenergie
$1000\,\text{kg} \cdot 15\,\tfrac{\text{kWh}}{\text{kg}} = 15\,000\,\text{kWh}$ .
Recyclingenergie
$5\,\%$ davon: $0{,}05 \cdot 15\,000 = 750\,\text{kWh}$ .
Einsparung
$15\,000 - 750 = 14\,250\,\text{kWh}$ (rund 95 %).

Ergebnis: Pro Tonne recyceltem Aluminium spart man rund 14 250 kWh - etwa der Stromverbrauch eines durchschnittlichen Haushalts in drei Jahren. Das erklärt, warum Aluminium-Recycling ökologisch wie wirtschaftlich besonders lohnt.

Schritt-für-Schritt Erklärung3 Schritte

1
Recycling ist die zweite Chance für Material - aber Vermeidung bleibt die wirksamste Strategie.
2
PET kann mehrfach recycelt werden, doch Ketten verkürzen sich. Chemisches Recycling führt zurück zu den Monomeren.
3
Mikroplastik ist in allen Meeren angekommen und sogar in der menschlichen Blutbahn nachweisbar - ein Forschungsfeld der Gegenwart.

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank5 Punkte

Aufgabenstellung

Erläutere am Beispiel des Aluminium-Recyclings die Bedeutung der Kreislaufwirtschaft.

Deine Antwortwird nicht automatisch bewertet

Typische Fehler

„Biologisch abbaubar" wird als „verrottet im Gartenkompost" verstanden. PLA baut sich erst unter industriellen Kompostbedingungen zuverlässig ab.
Mikroplastik und Nanoplastik werden gleichgesetzt. Die Größenordnung entscheidet darüber, welche Barrieren im Organismus überwunden werden.
Das Aluminiumrecycling wird als unwichtig dargestellt, obwohl es gegenüber der Primärgewinnung den weitaus größten Energiegewinn aller Werkstoffe bringt.
Duroplaste werden wie Thermoplaste als umschmelzbar behandelt. Ihr engmaschiges Netzwerk lässt nur rohstoffliche oder energetische Verwertung zu.
Recycling gilt als Lösung des Problems. In der Abfallhierarchie steht es hinter Vermeidung und Wiederverwendung.

Aktive Wiederholung

Vergleiche das Recycling von PET-Flaschen mit dem von Mehrwegglasflaschen hinsichtlich Energie, Material und Umweltauswirkung.

Passende Aufgaben üben50 Fragen zum Thema

Aktiv abrufen

Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Quellen: EU Circular Economy Action Plan (European Commission)

Luftschadstoffe, saurer Regen und Smog#

~5 Min LesezeitStandardCHE-Um-11.1

Treibhauseffekt - Energiebilanz

Abb. 3Kurzwellige Sonnenstrahlung passiert die Atmosphäre; Treibhausgase absorbieren langwellige Wärmestrahlung.

Luftschadstoffe sind der Fall, an dem sich Chemie und Politik am unmittelbarsten berühren: Jede Minderungsmaßnahme der letzten Jahrzehnte lässt sich als Reaktionsgleichung schreiben, und ihr Erfolg ist messbar. Wer die Kette Quelle - Umwandlung in der Atmosphäre - Wirkung - Gegenmaßnahme durchgängig aufstellen kann, beherrscht dieses Thema vollständig.

Fünf Stoffgruppen tragen die Belastung. Schwefeldioxid stammt aus schwefelhaltigen Brennstoffen und Erzen; Stickoxide entstehen bei hohen Verbrennungstemperaturen aus dem Luftstickstoff selbst, nicht aus dem Brennstoff, weshalb ein heißer Motor mehr davon erzeugt als ein kalter; Kohlenstoffmonoxid entsteht bei unvollständiger Verbrennung; Feinstaub kommt aus Verbrennung, Abrieb und Aufwirbelung; flüchtige organische Verbindungen entweichen aus Lösungsmitteln und Kraftstoffen. Ihre Wirkungen sind verschieden -

\ce{CO}

blockiert den Sauerstofftransport im Hämoglobin, Feinstaub wirkt je nach Größe bis in die Lungenbläschen.

Saurer Regen entsteht, wenn diese Gase in der feuchten Atmosphäre zu Säuren oxidiert werden. Aus Schwefeldioxid wird über Schwefeltrioxid Schwefelsäure, aus Stickstoffdioxid Salpetersäure; beide gelangen mit dem Niederschlag in Boden und Gewässer. Der pH des Regens sinkt dadurch von seinem natürlichen Wert um 5,6 - der allein vom gelösten

\ce{CO2}

herrührt - auf Werte um 4 und darunter. Genau diese Unterscheidung ist prüfungsrelevant:

\ce{CO2}

macht Regen von Natur aus leicht sauer, für den SAUREN Regen sind

\ce{SO2}

und

\ce{NO_x}

verantwortlich.

Die Folgen lassen sich chemisch begründen. Im Boden verdrängen die eingetragenen Oxoniumionen Nährstoffkationen von den Austauschern und mobilisieren Aluminiumionen, die Feinwurzeln schädigen; Gewässer versauern, bis Fischlaich nicht mehr überlebt. An Bauwerken greift die Säure den Kalkstein an:

\ce{CaCO3 + H2SO4 -> CaSO4 + H2O + CO2 ^}

. Das entstehende Calciumsulfat ist besser löslich als Calciumcarbonat und hat ein größeres Volumen - deshalb blättern Fassaden und Skulpturen ab statt gleichmäßig abzutragen.

Sommersmog ist ein zweites, davon unabhängiges Phänomen. Unter Sonneneinstrahlung spaltet sich Stickstoffdioxid photolytisch, und der freigesetzte Sauerstoff bildet mit

\ce{O2}

bodennahes Ozon; flüchtige organische Verbindungen halten den Zyklus in Gang, indem sie das gebildete

\ce{NO}

wieder zu

\ce{NO2}

oxidieren. Dieses Ozon ist ein Reizgas für Atemwege und Pflanzen - chemisch dasselbe Molekül wie in der Stratosphäre, in der Wirkung sein Gegenteil. Der Wintersmog älterer Prägung entstand dagegen aus

\ce{SO2}

und Ruß bei Inversionswetterlagen.

Die Gegenmaßnahmen sind Redoxchemie im Alltag. Die Rauchgasentschwefelung wäscht

\ce{SO2}

mit Kalksuspension aus und liefert dabei verwertbaren Gips. Der Drei-Wege-Katalysator im Ottomotor leistet zwei Dinge zugleich: Er reduziert die Stickoxide zu Stickstoff und oxidiert Kohlenstoffmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu

\ce{CO2}

und Wasser - dafür muss das Luft-Kraftstoff-Verhältnis über eine Lambdasonde eng geregelt werden, weil sonst nur eine der beiden Aufgaben gelingt. Dieselmotoren arbeiten mit Partikelfilter und SCR-Katalysator, in dem eingespritzter Harnstoff das Ammoniak für die Reduktion der Stickoxide liefert. Dass die

\ce{SO2}

-Belastung in Europa seit den 1980er-Jahren stark gesunken ist, gilt als Beleg für die Wirksamkeit solcher Auflagen.

Vokabeln

→ Kartei

StickoxideSammelbegriff $\ce{NO_x}$ für $\ce{NO}$ und $\ce{NO2}$; sie entstehen bei hohen Verbrennungstemperaturen aus Luftstickstoff.
saurer RegenNiederschlag mit einem pH deutlich unter 5,6, verursacht durch Schwefel- und Salpetersäure aus Luftschadstoffen.
SommersmogBodennahe Ozonbelastung, die aus Stickoxiden und flüchtigen organischen Verbindungen unter Sonnenlicht entsteht.
RauchgasentschwefelungAuswaschen von $\ce{SO2}$ aus Abgasen mit Kalksuspension; als Produkt fällt Gips an.
Drei-Wege-KatalysatorAbgaskatalysator, der Stickoxide reduziert sowie $\ce{CO}$ und Kohlenwasserstoffe oxidiert.
LambdasondeSensor für den Restsauerstoff im Abgas; sie hält das Gemisch im Bereich, in dem der Katalysator alle drei Aufgaben erfüllt.

Bildung der Schwefelsäure (saurer Regen)

\ce{2 SO2 + O2 -> 2 SO3}; \quad \ce{SO3 + H2O -> H2SO4}

Schwefeldioxid wird in der Atmosphäre - katalysiert durch Staubpartikel und Sonnenlicht - zu Schwefeltrioxid oxidiert, das sich mit Wolkenwasser zu Schwefelsäure verbindet. Diese fällt mit dem Niederschlag aus und senkt dessen pH unter den natürlichen Wert von 5,6.

Musterbeispiel

Saurer Regen greift Kalkstein an

Erläutere mit Reaktionsgleichungen, wie aus $\ce{SO2}$ saurer Regen wird und wie dieser Kalksandstein/Marmor ( $\ce{CaCO3}$ ) angreift.

Oxidation und Hydratation
$\ce{2 SO2 + O2 -> 2 SO3}$ ; anschließend $\ce{SO3 + H2O -> H2SO4}$ .
Angriff auf Kalkstein
$\ce{CaCO3 + H2SO4 -> CaSO4 + H2O + CO2 ^}$ - das schwerlösliche $\ce{CaSO4}$ (Gips) bildet eine brüchige Kruste.
Bewertung
Das gebildete $\ce{CO2}$ entweicht und Material wird abgetragen - typische Schadensbilder an Denkmälern.

Ergebnis: Saurer Regen ( $\ce{H2SO4}$ ) wandelt $\ce{CaCO3}$ in Gips um und zerstört so Bauwerke. Querverweis: Thema "Anorganische Anwendungschemie" (Korrosion).

SRDP-Aufgaben

SelbsttestAus der Fragenbank4 Punkte

Aufgabenstellung

Erkläre die Funktion des Drei-Wege-Katalysators im Auto und gib die wichtigsten Reaktionen an.

Deine Antwortwird nicht automatisch bewertet

Typische Fehler

Bodennahes Ozon wird mit der schützenden Ozonschicht verwechselt. Der Ort entscheidet über die Bewertung, nicht der Stoff.
Saurer Regen wird allein auf $\ce{CO2}$ zurückgeführt. $\ce{CO2}$ erklärt den natürlichen pH von 5,6; die Absenkung darunter stammt aus $\ce{SO2}$ und $\ce{NO_x}$ .
Der Katalysator gilt als Filter. Er entfernt nichts mechanisch, sondern beschleunigt Redoxreaktionen an seiner Oberfläche.
Die Stickoxidbildung wird dem Brennstoff zugeschrieben. Der Stickstoff stammt überwiegend aus der Verbrennungsluft; entscheidend ist die Temperatur.
Der Drei-Wege-Katalysator wird als von der Gemischregelung unabhängig beschrieben. Nur nahe dem stöchiometrischen Verhältnis laufen Oxidation und Reduktion gleichzeitig.

Aktive Wiederholung

Erkläre die Entstehung des sauren Regens aus $\ce{SO2}$ und stelle die Reaktion mit Kalkstein ( $\ce{CaCO3}$ ) zur Erklärung der Bauwerkskorrosion auf.

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Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Quellen: Umweltbundesamt Österreich - Luftschadstoffe (Umweltbundesamt)

Energieträger: fossil, erneuerbar und Wasserstoff#

~5 Min LesezeitVertiefungCHE-Um-11.3

Galvanische Zelle - Daniell-Element

Abb. 4Zn-Halbzelle (Anode, Oxidation) und Cu-Halbzelle (Kathode, Reduktion), verbunden über Voltmeter und Salzbrücke; die Elektronen fließen im Draht von links nach rechts.

Kein Energieträger ist an sich sauber oder schmutzig - entscheidend ist die Bilanz über den gesamten Weg von der Gewinnung bis zur Nutzung. Genau daran scheitern die meisten Prüfungsantworten zum Wasserstoff: Am Auspuff entsteht nur Wasser, doch was zählt, ist, woher der Wasserstoff kommt.

Bei fossilen Energieträgern entsteht das

\ce{CO2}

zwangsläufig, weil die Energie gerade aus der Oxidation des Kohlenstoffs stammt. Wie viel davon je Energieeinheit anfällt, hängt vom Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoff im Molekül ab: Methan mit vier H je C liefert einen großen Teil seiner Energie aus der Wasserbildung, Kohle als nahezu reiner Kohlenstoff gar keinen. Deshalb setzt Erdgas je erzeugter Kilowattstunde etwa halb so viel

\ce{CO2}

frei wie Braunkohle - ein Vorteil, der allerdings verschwindet, wenn beim Fördern und Transportieren Methan entweicht, dessen Treibhauspotenzial das des

\ce{CO2}

um ein Vielfaches übersteigt.

Biomasse gilt als annähernd

\ce{CO2}

-neutral, weil die Pflanze das später freigesetzte Kohlenstoffdioxid zuvor der Atmosphäre entzogen hat. Diese Bilanz stimmt allerdings nur unter Bedingungen, die zur Antwort gehören: Der Bestand muss nachwachsen, der Aufwand für Anbau, Düngung, Ernte und Transport ist gegenzurechnen, und die Nutzungskonkurrenz zur Nahrungsmittelerzeugung bleibt bestehen. Wer die Neutralität ohne diese Einschränkungen behauptet, verkürzt unzulässig.

Wasserstoff ist kein Energieträger, den man fördert, sondern einer, den man herstellt - er ist ein Speicher- und Transportmedium für Energie aus anderer Quelle. Grüner Wasserstoff entsteht durch Elektrolyse von Wasser mit Strom aus erneuerbaren Quellen:

\ce{2 H2O -> 2 H2 + O2}

. Grauer Wasserstoff stammt aus der Dampfreformierung von Erdgas,

\ce{CH4 + 2 H2O -> CO2 + 4 H2}

, und setzt je Kilogramm Wasserstoff rund zehn Kilogramm

\ce{CO2}

frei; wird dieses abgeschieden und gespeichert, spricht man von blauem Wasserstoff. Heute stammt der weit überwiegende Teil der Weltproduktion aus fossilen Quellen.

In der Nutzung stehen zwei Wege offen. Die Verbrennung liefert Wärme, erzeugt aber wegen der hohen Flammentemperatur ihrerseits Stickoxide. Die Brennstoffzelle führt dieselbe Reaktion elektrochemisch: An der Anode wird Wasserstoff oxidiert, an der Kathode Sauerstoff reduziert, und die Elektronen fließen über den äußeren Stromkreis - der Wirkungsgrad liegt deutlich über dem einer Wärmekraftmaschine, weil der Umweg über die Wärme entfällt. Elektrolyse und Brennstoffzelle sind dabei exakte Umkehrprozesse; in der Prüfung ist zu benennen, welcher von beiden Energie verbraucht und welcher sie liefert.

Zur Beurteilung gehören vier Größen, und keine allein entscheidet. Der Heizwert je Masse ist beim Wasserstoff mit rund 120 MJ/kg konkurrenzlos hoch, je Volumen dagegen so niedrig, dass Verdichtung auf mehrere hundert bar oder Verflüssigung bei

-253

°C nötig wird - beides kostet Energie. Dazu kommen die Wirkungsgradkette (jede Umwandlung verliert), die fehlende Infrastruktur und die Verfügbarkeit der Katalysatormetalle. Sinnvoll ist Wasserstoff daher vor allem dort, wo eine direkte Elektrifizierung schwerfällt - in der Stahlerzeugung, der Chemie, im Schwerlast- und Flugverkehr -, während er im Pkw gegen den batterieelektrischen Antrieb energetisch im Nachteil bleibt.

Vokabeln

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HeizwertBei der Verbrennung nutzbar frei werdende Energie je Masse oder Volumen des Brennstoffs.
grüner WasserstoffDurch Elektrolyse mit erneuerbarem Strom erzeugter Wasserstoff; in der Herstellung emissionsfrei.
grauer WasserstoffAus der Dampfreformierung von Erdgas gewonnener Wasserstoff; dabei entsteht $\ce{CO2}$.
DampfreformierungUmsetzung von Methan mit Wasserdampf zu Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid.
BrennstoffzelleGalvanische Zelle, die Wasserstoff und Sauerstoff ohne Umweg über Wärme direkt in Strom umsetzt.
WirkungsgradketteProdukt der Einzelwirkungsgrade aller Umwandlungsschritte von der Quelle bis zur Nutzung.

Grüner vs. grauer Wasserstoff

\ce{2 H2O ->[\text{Strom}] 2 H2 + O2} \;(\text{grün}); \quad \ce{CH4 + 2 H2O -> CO2 + 4 H2} \;(\text{grau})

Beide Gleichungen liefern denselben Stoff mit völlig verschiedener Klimabilanz. Die Elektrolyse braucht elektrische Energie und ist nur so sauber wie der eingesetzte Strom; die Dampfreformierung setzt je Kilogramm Wasserstoff rund zehn Kilogramm $\ce{CO2}$ frei. Wird dieses abgeschieden und gespeichert, spricht man von blauem Wasserstoff.

Musterbeispiel

CO2-Bilanz von Brennstoffen vergleichen

Vergleiche, ob Methan oder Kohlenstoff (vereinfacht für Kohle) pro Mol freigesetztem $\ce{CO2}$ mehr Energie liefert, und leite eine Klimabewertung ab.

Verbrennungsgleichungen
Methan: $\ce{CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O}$ (ca. $-890$ kJ/mol). Kohlenstoff: $\ce{C + O2 -> CO2}$ (ca. $-394$ kJ/mol).
Energie pro CO2
Beide liefern 1 mol $\ce{CO2}$ . Methan setzt aber ca. 890 kJ frei, Kohlenstoff nur ca. 394 kJ.
Bewertung
Methan liefert mehr als doppelt so viel Energie je $\ce{CO2}$ - es ist pro Energieeinheit klimagünstiger (höheres H/C-Verhältnis).

Ergebnis: Methan ist je freigesetztem $\ce{CO2}$ deutlich energieeffizienter als reiner Kohlenstoff. Querverweis: Abschnitt "Treibhauseffekt, $\ce{CO2}$ und Klimawandel".

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SelbsttestAus der Fragenbank4 Punkte

Aufgabenstellung

Unterscheide grünen und grauen Wasserstoff mit Reaktionsgleichungen und beurteile, warum nur grüner Wasserstoff klimaneutral ist.

Deine Antwortwird nicht automatisch bewertet

Typische Fehler

Wasserstoff wird pauschal als sauber bezeichnet, ohne die Herstellung zu nennen. Grauer Wasserstoff setzt je Kilogramm rund zehn Kilogramm $\ce{CO2}$ frei.
Die $\ce{CO2}$ -Neutralität der Biomasse wird ohne Bedingungen behauptet - Nachwachsen, Anbauaufwand und Nutzungskonkurrenz gehören dazu.
Heizwertunterschiede werden nicht mit dem H/C-Verhältnis begründet, obwohl genau darin die Erklärung liegt.
Elektrolyse und Brennstoffzelle werden vertauscht. Die Elektrolyse verbraucht Strom, die Brennstoffzelle erzeugt ihn.
Wasserstoff wird als Energiequelle bezeichnet. Er kommt auf der Erde nicht frei vor, sondern ist ein Speichermedium für anderweitig erzeugte Energie.

Aktive Wiederholung

Beurteile Wasserstoff als Energieträger für die Verkehrswende und unterscheide mit Reaktionsgleichungen grüne und graue Herstellung.

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Erinnere dich an die Kernpunkte — dann aufdecken.

Quellen: OpenStax Chemistry 2e, Kap. 5 "Thermochemistry" (OpenStax)