Die Luft um uns herum

Atmosphäre

Unsere Erde ist umgeben von einer massiven Luftschicht, der Atmosphäre, die sich über mehrere tausend Kilometer der Erdoberfläche erstreckt. Die Zusammensetzung der Atmosphäre hängt von der Höhe über der Erdoberfläche ab. Für unser Leben ist die unterste Schicht der Atmosphäre, die Troposphäre, wichtig, die sich etwa bis zu 7 km (mancherorts sogar bis zu 17 km) oberhalb der Erdoberfläche erstreckt. Die Troposphäre ist der dickste Teil der Atmosphäre. Wenn die Höhe über der Erdoberfläche steigt, nimmt die Dichte der Luft in der Atmosphäre zu. Die Dichte der trockenen Luft am Boden und bei 20 °C beträgt 1,2047, entsprechend 1,2 g pro Liter Luft. Dadurch, dass von der Erde Zugkraft ausgeht, werden alle atmosphärischen Teilchen, trotz ihrer Entfernung, von der Erdoberfläche angezogen. Auf diese Weise ist die gesamte Atmosphäre mit der Erde verbunden. Das Ergebnis dieses Phänomens ist die atmosphärische Druckkraft.

Atmosphärischer Druck

Der atmosphärische Druck wirkt auf der gesamten Erdoberfläche und auf alle Körper der Erde – auch auf uns. Wenn der atmosphärische Druck abnimmt, dehnen sich elastische, gashaltige Körper aus. Wenn im Gegensatz dazu der atmosphärische Druck erhöht wird, kommt es zu einer Verformung elastischer, gashaltiger Körper und zu einer Verringerung des Volumens. Dieses Phänomen kann mit Hilfe einer Spritze und eines Marshmallows, der darin platziert wird, veranschaulicht werden. Wird die Öffnung der Spritze mit dem Daumen verschlossen und der Kolben der Spritze gedrückt, so erhöht sich der Luftdruck auf den Marshmallow. Der Druck in der Spritze ist jetzt höher als der normale atmosphärische Druck. Die Süßigkeit wird durch den erhöhten Luftdruck verformt. Dies führt zu einer Verringerung ihres Volumens. Um die Wirkung eines niedrigeren Drucks zu zeigen, kann man ähnlich vorgehen. Der Kolben der Spritze sollte sich so nah am Marshmallow befinden, wie möglich, ohne diesen zu zerdrücken. Jetzt wird die Öffnung der Spritze verschlossen und der Kolben herausgezogen. In der Spritze entsteht jetzt ein niedrigerer Druck (Unterdruck) als der normale atmosphärische Druck. Die Gase im Inneren der Spritze können sich ausdehnen und so erhöht auch die Süßigkeit ihr Volumen. Welche Bestandteile sind also in der Luft enthalten? Im für uns wichtigen Teil der Atmosphäre, der Troposphäre, sind etwa 78% Stickstoff (N2 ), 21% Sauerstoff (O2 ), 0,9% Argon (Ar), 0,03% Kohlendioxid (CO2 ) und andere Gase enthalten

Sauerstof

Sauerstoff (sein chemisches Elementsymbol lautet O, die griechisch-lateinische Bezeichnung ist Oxygenium) ist ein gasförmiges Element, das den zweitgrößten Bestandteil der Erdatmosphäre bildet. Sauerstoff ist ein farbloses Gas ohne Geschmack und Geruch, das als Endprodukt der Pflanzen-Photosynthese entsteht. In der Luft tritt Sauerstoff als Doppelmolekül-O2 oder als Drei-Atom-Molekül O3 auf. Letzteres wird als Ozon bezeichnet. Sauerstoff ist ein biogenes Element. Sein Vorhandensein ist für die Existenz der meisten lebenden Organismen auf unserem Planeten unerlässlich. Sauerstoff löst sich in Wasser auf und kann als starkes Oxidationsmittel verwendet werden

Sauerstoff und Brennen

Der Bedarf an Sauerstoff während der Verbrennung und somit die Sauerstoffbeständigkeit selbst wird durch einfache Versuche greifbarer. Wir brauchen einen Becher oder ein Glas, ein Teelicht, Streichhölzer, eine Schüssel oder einen Teller und Wasser aus dem Wasserhahn. Wir füllen den Teller mit Wasser und setzen die Kerze hinein. Das Paraffin, aus dem die Kerze hergestellt wird, hat eine geringere Dichte als Wasser. Wenn wir die Kerze vorsichtig auf die Wasseroberfläche stellen, sinkt sie nicht. Wenn die Kerze mit einem Becher oder Glas bedeckt wird, ist zu erkennen, dass der Wasserstand im Becher niedriger ist als der Wasserstand im Teller.

Die Flamme der Kerze erwärmt die Luft im Becher und die Luft dehnt sich aus. Wir können sehen, dass Luftblasen aus dem Becher entweichen. Zum Verbrennen des Paraffins wird der Sauerstoff im Becherglas benötigt. Wenn der gesamte Sauerstoff verbraucht ist, erlischt die Flamme. Die erwärmte Luft kühlt sich ab. Da kalte Luft eine höhere Dichte hat als warme Luft, nimmt das Luftvolumen ab und das Wasser wird in das Becherglas gesogen. Am Ende des Versuchs hat das Wasser im Becher einen höheren Stand als das Wasser im Teller. Das Feuer wird durch die fehlende Verfügbarkeit von Sauerstoff zum brennenden Gegenstand gelöscht.

Kohlendioxid

Kohlendioxid (CO2 ) ist ein gasförmiges Molekül, das durch die Kombination von einem Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatomen gebildet wird. Kohlendioxid ist ein farbloses Gas, ohne Geschmack und Geruch. Es bildet sich bei der Atmung. Es gelangt auch bei der Verbrennung von Kohle, Holz und anderen organischen Stoffen, sowie bei der Fermentation, als Gas in die Atmosphäre.

Kohlendioxid ist ein nicht brennbares Gas, hat eine höhere Dichte als Luft und bleibt daher am Boden. Diesen Eigenschaften von Kohlendioxid sind sich Weinproduzenten bewusst. Weinbauer stellen in dem Raum, in dem sie Wein herstellen, z. B. junge Weine, eine brennende Kerze auf, die sie auf einer niedrigeren Höhe platzieren als der, auf welcher sie atmen. Eine erlöschende Kerze ist eine Warnung, dass die Kohlendioxidkonzentration zu hoch ist und der Raum verlassen werden muss, sonst droht die Gefahr zu ersticken.

Im Labor wird Kohlendioxid üblicherweise durch eine Reaktion von Carbonaten mit Salzsäure (Reaktionsschema 1) oder durch eine Reaktion von Speisesoda mit Essig (Reaktionsschema 2) in der Gasentwicklungsapparatur (Abbildung 1) hergestellt.

Reaktionsschema 1: Reaktion von Calciumcarbonat mit Salzsäure

CaCO₃ + 2 HCl → CaCl ₂+ H₂O + CO₂

Reaktionsschema 2: Reaktion von Speisesoda (Natriumbicarbonat) mit Essig (Essigsäure)

NaHCO₃ + CH₃ COOH → CH₃ COONa + H₂O + CO₂

Die fehlende Entflammbarkeit von Kohlendioxid und seine höhere Dichte im Vergleich zu Luft, kann durch ein einfaches Experiment mit vier unterschiedlich hohen Kerzen veranschaulicht werden. Wir setzen die Kerzen in einen luftdicht verschließbaren Behälter und leiten Kohlendioxid aus dem Gasentwicklungsapparat (Abbildung 1) ein. Die kürzeste Kerze geht zuerst aus. Die längste Kerze brennt am längsten. Die Eigenschaft von Kohlendioxid nicht brennbar zu sein, wird bei der Löschung von Bränden nutzbar gemacht.Kohlendioxid wird als Feuerlöschmittel in Kleinlöschgeräten verwendet. Diese Feuerlöscher dürfen nur in gut belüfteten Räumen verwendet werden. Kohlendioxid kann durch eine chemische Reaktion mit Kalkwasser erzeugt werden. Kalkwasser ist eine klare Suspension von in Wasser fein verteiltem Calciumhydroxid (Achtung dieser Stoff ist ätzend!). Beim Sprudeln mit Kohlendioxid bildet Kalkwasser einen weißen Niederschlag von Calciumcarbonat (Reaktionsschema 3).

Reaktionsschema 3: Reaktion von Kalkwasser mit Kohlendioxid

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

In der Luft, die ausgeatmet wird, ist der Sauerstoffgehalt von 21% auf etwa 17% reduziert, jedoch der Kohlendioxidgehalt von 0,03% auf 4% erhöht. Darüber hinaus ist die Konzentration des Wasserdampfes beim Ausatmen erhöht. Der enthaltene Wasserdampf wird beim Atmen gegen ein kaltes Objekt, z. B. einem Taschenspiegel oder Glas, sichtbar. Die Menge an Stickstoff bleibt beim Ein- und Ausatmen konstant. Im Kalkwasser kann das Kohlendioxid der Atemluft beim Ausatmen sichtbar werden (Reaktionsschema 3). Für jüngere Schülerinnen und Schüler muss die Lehrkraft den Versuch durchführen. Bei etwas älteren Schülerinnen und Schülern können diese den Versuch unter guter Aufsicht und mit Warnhinweisen durchführen.