Umwelt. P.Borsch, H.J. Wagner, Energie und Umweltbelastung, Springer,1992

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Dominik Holst
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1 Umwelt Bezeichnung für die Gesamtheit aller Erscheinungen, mit denen ein Organismus in seinem artspezifischen Lebensraum in Wechselbeziehungen steht und denen er sich in entwicklungsgeschichtlichen Zeiträumen so angepaßt hat, daß ein ökologisches Gleichgewicht entstehen kann. P.Borsch, H.J. Wagner, Energie und Umweltbelastung, Springer,1992

2 Hauptkomponenten der Umwelt - belebte Natur - unbelebte Natur Luft Menschen Tiere Pflanzen Wasser Boden

3 Umweltbelastung Allgemeine Beeinflussung und Veränderung der natürlichen Umwelt durch physikalische, chemische, biologische und technische Eingriffe, Verunreinigungen (z.b. durch Staub, Mikroorganismen, Chemikalien oder Strahlen) können zur Umweltverschmutzung führen, wenn sie über die natürliche Regenerationskraft der verschmutzten Medien (z.b. Boden, Wasser, Luft) hinausgehen. P. Borsch, H.J. Wagner, Energie und Umweltbelastung, Springer, 1992

4 Materie Materie ist alles, was Raum beansprucht und Masse besitzt. Materie besteht aus unterschiedlichen Stoffen. C. E. Mortimer, Chemie - Das Basiswissen der Chemie, Georg Thieme, 1987

5 Stoffe Schadstoffe / Umweltchemikalien - Schwermetalle und deren Verbindungen Pb, Hg, Cd, Cu, Cr, Ni - Halbmetalle / Leichtmetalle und deren Verbindungen As, Sb, Se, Te / Al, Be, Tl, Zn -Gase SO x, NO x, O 3, X 2, HX, FCKW - Organika (natürliche wie anthropogene) polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) polychlorierte Biphenyle (PCB) Tenside

6 Energie Energie ist die Fähigkeit eines Systems, Arbeit zu verrichten. Energie kann weder erzeugt noch verbraucht werden. Sie kann jedoch von einer Energieform in eine andere umgewandelt werden. (Physikalische Definition)

7 Energieformen und ihre Nutzung (energiewirtschaftliche Unterscheidung) - Beispiele - potentielle Energie kinetische Energie chemische Energie thermische Energie elektrische Energie elektromagnetische Energie nukleare Energie - Wasserkraftwerk - Windkraft - die in der Kohle oder dem Erdöl gespeicherte Energie - Wärme bei der Kohleverbrennung - elektrischer Strom - Mikrowelle - Kernspaltung, Kernfusion Bewertung der Energieformen: politisch /technisch/wirtschaftlich?

8 Stoffe Energie Umwelt Produktion Konsumtion Wissenschaft Technik Politik Entsorgung

9 Verteilung der Elemente im Weltall und auf der Erde (Atom-%) Z Element Weltall Erde Erdkruste Hydrosphäre Atmosphäre Mensch 1 H 92,714 0,12 2,882 66,200 60,563 2 He 7,185 3 Li 0,009 4 Be 5 B 6 C 0,008 0,099 0,055 0,001 0,035 10,680 7 N 0,015 0,0003 0,007 78,03 2, ,050 48,880 60,425 33,100 21,0 25,67 9 F 0,0038 0, Ne 0,020 0, Na 0,0001 0,640 2,554 0,290 0, Mg 0, ,500 1,784 0,034 0, Al 0,0002 1,300 6, Si 0, ,000 20, P 0,14 0,079 0,13 16 S 0,0009 1,400 0,033 0,017 0,13 17 Cl 0,045 0,011 0,340 0, Ar 0,0003 0, K 0,056 1,374 0,006 0, Ca 0,0001 0,46 1,878 0,006 0,23 21 Sc 22 Ti 0,028 0, V 0, Cr 0, Mn 0,056 0, Fe 0, ,870 1, Co 0, Ni 0,0001 1,400 0, Cu 0, Zn 0,002 99,999 99,998 99,999 99,994 99,998 99,999

10 Kennzeichnung der Atomarten - verschiedene Atomarten, die sich durch Massen- oder Ordnungszahl unterscheiden = Nuklide - IUPAC - Regel: A Z E E: Elementsymbol A: Massenzahl Z: Ordnungszahl - zur Charakterisierung von radioaktiven Nukliden noch wichtig: Halbwertszeit, Art und Energie der Strahlung Schema des PSE zum Eintrag aller Nuklide unzureichend, deshalb: Nuklidkarte

11 Nuklidkarte Z Z = Protonenzahl N = Neutronenzahl (N = A - Z) N

12 Kernaufbau- und Kernzerfallsreaktionen in Sternen

13 Wasserstoffbrennen Entstehung von Elementen ß + Positron, ν Neutrino, γ Gammastrahlung

14 Planeten: Gründe für Unterschiede Hohe Anteile an CO 2 und H 2 O Adsorption der Wärmestrahlung, die aus dem eingestrahlten Sonnenlicht am Boden gebildet werden Treibhauseffekt - wesentlicher Unterschied zwischen Erde und Venus: Sonnenabstand (d.h. auf der Erde kondensiert Wasser) - Folgen der Kondensation des Wassers geringerer Treibhauseffekt Bildung der Urozeane Bindung eines Großteils des atmosphärischen CO 2 80 % des CO 2 der Uratmosphäre sind im Kalksteinsediment gebunden grundlegende Änderung der Atmosphäre der Erde Hauptbestandteile N 2, O 2

15 Atmosphäre der Planeten Bestandteile der Uratmosphäre: CO 2, H 2 O, (N 2, NH 3, H 2 S, CH 4 ), kein O 2 Vergleich der Atmosphäre der Erde mit denen ihrer Nachbarplaneten Venus Erde Mars Mittlere Oberflächentemperatur C Druck an der Oberfläche (bar) ,007 Masse der Atmosphäre (t) 5, , , Prozentuale Zusammensetzung (Vol %) CO ,03 95,0 N 2 3,5-4,5 78,09 3,0 O 2 0,03 20,95 0,13 Ar 0,03 0,93 1,5

16 Bedingungen für menschliches Leben? - ambiente Temperatur- und Druckbedingungen - Strahlungsfilter (Luftschicht) - Sauerstoffgehalt der Atmosphäre - Energiezufuhr (Entropie??)

17 Die Entstehung des atmosphärischen Sauerstoffs O 2 -Bildung ist prinzipiell über anorganische Reaktionen denkbar, Photolyse von CO 2 oder H 2 O (in damaliger Atmosphäre vorhanden) durch kurzwellige UV-Strahlung λ < 200 nm (1) Ist durch das Fehlen bedeutender Mengen CO in der Atmosphäre auszuschließen (2) a) Rechnungen zeigen, dass über anorganische photolytische Prozesse nur etwa 0,1 % des heutigen O 2 -Gehaltes hätten gebildet werden können b) Mit steigendem O 2 -Gehalt spaltet UV-Licht vorzugsweise O 2 statt H 2 O (chemischer Rückkopplungsprozess Urey-Effekt) Bildung des atmosphärischen Sauerstoffs andere Gründe?

18 Photosynthetische Sauerstoffproduktion: - Anorganisch photolytischer Prozess der Spaltung spielt mengenmäßig, wie auch der geringe Sauerstoffgehalt in den Vulkangasen ( ppb) keine Rolle - Blaualgen (Cyanobakterien), grüne Pflanzen synthetisieren organisches Material und als Nebenprodukt Sauerstoff hν 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 - Für jedes entstandene und abgelagerte C-Atom, für das die Verwesung nicht entsprechend der Rückreaktion verläuft, bleibt entsprechend Sauerstoff übrig!

19 Quelle: Folienserie des Fonds der Chemischen Industrie (22 Textheft), Frankfurt/Main (1995), ISSN x

20 Aller auf der Erde vorhandene molekulare Sauerstoff ist das Ergebnis von Organismen!!

21 Millersches Experiment Produkte: HCHO HCOOH CH 3 -HCOOH elektrische Entladung oder Adenin z.b. UV-Licht Asparaginsäure, Alanin Purine, Zucker, Porphyrine, Glycin und andere essentielle Bausteine des Lebens Nachweis: Bildung organischer Grundmoleküle aus anorganischen Verbindungen unter (angenommenen) Umweltbedingungen

22 Atmung: - aerobe Atmung: abgespaltener Wasserstoff aus Organika auf molekularen Sauerstoff unter Bildung von Wasser übertragen: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6H 2 O + 6CO 2 - anaerobe Atmung: der Wasserstoff wird auf Sauerstoff in gebundener Form übertragen (verläuft unter Sauerstoffausschluss) z.b. auf Nitrat oder Sulfatsauerstoff als H-Akzeptor: NO 3 - N 2, NH 3 ; SO 4 2- H 2 S

23 Atmung (aerob) - vor ca. 1,5 Mrd. Jahren: durch biologische Evolution werden Eukaryonten herausgebildet - Einzeller, die abgestorbenes organisches Material aus photosynthesetreibenden Lebewesen effektiver, d.h. zu CO 2 und H 2 O metabolisieren können Atmung

24 Vergleich: Gärung: C 6 H 12 O 6 2 CH 3 -CH(OH)COOH (ΔG = -199 kj) Atmung: C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O (ΔG = kj) - Atmung ist summenmäßig die Umkehrung der Photosynthese - Atmung ist 14 mal effektiver als die Milchsäuregärung (siehe freie Enthalpie ΔG ) - Atmung bedeutet für die Lebewesen einen enormen evolutionären Vorteil

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