Du skal vælge nogle få forsøg ud, der så vidt muligt, dækker alle de praktiske mål

TEORETISKE MÅL FOR EMNET: Kendskab til kulstoffets kredsløb, herunder fotosyntesen Kendskab til nitrogens kredsløb Kunne redegøre for, hvad drivhuseffekt er, herunder problematikken om global opvarmning samt årsagerne hertil Kendskab til handlemuligheder, der kan bremse den globale opvarmning Kende de drivhusgasser, der har størst betydning for drivhuseffekten Vide, hvad syreregn er, hvordan denne opstår og hvad den kan forårsage Kendskab til energiformer, der er neutrale i forhold til drivhuseffekten Kende til transportens betydning for forureningsniveauet Kende til, hvordan en vindmølle producerer strøm, herunder induktion PRAKTISKE MÅL FOR EMNET: Kunne påvise O2, CO2, SO2 og H2 Kunne påvise udvalgte ioner, fx NO3 - og SO4 -- Kunne demonstrere drivhuseffekten vha. CO2 Undersøge udstødningsgas fra hhv. bil, knallert og/eller scooter Undersøge syreregns betydning for plantelivet Vise og forklare, hvordan en vindmøllegenerator virker Du skal vælge nogle få forsøg ud, der så vidt muligt, dækker alle de praktiske mål

Indholdsfortegnelse ENERGI OG MILJØ 1 GLOBAL OPVARMNING 1 STRÅLINGENS BETYDNING FOR JORDENS KLIMA 1 DRIVHUSEFFEKTEN 1 DRIVHUSGASSER 2 HANDLEMULIGHEDER 3 NEUTRALE ENERGIFORMER 4 VEDVARENDE ENERGIKILDER 5 SYREREGN 5 KILDER TIL SYREREGN 6 FOREBYGGELSE AF LUFTFORURENING 8 NEUTRALISATION EFTER SYREREGN 9 KULSTOFFETS KREDSLØB 9 NITROGENS KREDSLØB 10

Energi og miljø Miljø og energi hænger tæt sammen, og man kan ikke nævne det ene uden også at nævne det andet. Vores miljø afhænger således af, hvilke energiformer, vi benytter os af. Nogle kilder til energi slipper efterhånden op (kul, olie, naturgas, biomasse = lagerenergi-kilder), mens andre altid vil være der (vind, vand og sol = vedvarende energikilder). Der tales for tiden meget om især global opvarmning og drivhuseffekt, mens der ikke i Danmark er så meget fokus på syreregn. Men mange steder er syreregn alligevel et problem. Global opvarmning Der er for tiden megen snak om global opvarmning, der i bund og grund betyder at Jorden gradvist opvarmes. At der bliver varmere på Jorden er en kendsgerning, hvad årsagen er til den stigende varme er, og om denne udvikling stopper af sig selv, eller om der er noget, vi kan gøre for at stoppe den. Den globale opvarmning har betydning for dyr og planter, fordi der nu er blevet varmere der, hvor de hidtil har levet derfor har dyr og planter været nødt til at flytte med. Nogle organismer er gode til at flytte sig, andre er ikke (et eksempel på en langsom organisme er træer, der jo ikke bare lige kan flytte sig fra dag til dag). Strålingens betydning for Jordens klima Når man taler om global opvarmning, forbinder man det som regel med den menneskeskabte drivhuseffekt. Forskere har dog påpeget, at Jordens klima er meget afhængigt af den kosmiske stråling, der rammer jorden, og disse forskere hævder, at de klimaændringer, vi er vidne til i disse år, kan forklares netop ved variationen i den kosmiske stråling. Solen afskærmer Jorden fra noget af den kosmiske stråling, og jo mere aktivitet der er på solen, jo mindre kosmisk stråling rammer Jorden. Den kosmiske stråling, der rammer jorden er faldende og har været det de sidste 100 år, og dermed har sol-aktiviteten altså været stigende. Jo mere kosmisk stråling der rammer Jorden, jo flere af de lave skyer dannes der. De lave skyer virker afkølende, og når der bliver færre af dem, er det naturligt, at temperaturen stiger. Meget tyder på, at de klimaændringer, vi lige nu er vidne til, ikke kan forklares alene ved ændringer i den kosmiske stråling, der rammer Jorden. Dog kan en faldende mængde af kosmisk stråling medføre, at den menneskeskabte drivhuseffekt får en større betydning end ellers. Drivhuseffekten Når Solen skinner på drivhuset, vil glasset i drivhuset afbøje nogle af lysstrålerne og omdanne dem til varmestråling. Derfor er der varmere i et drivhus end der er udenfor. Varmestrålingen kan ikke komme ud af drivhuset igen, fordi bølgelængden nu er så lav, at den ikke kan trænge igennem glasset. Når vi taler om drivhuseffekt betyder det sådan set det samme. Solens lys rammer Jorden, og en del af lyset reflekteres igen. Men jo større udslip, der er af drivhusgasserne (især vanddamp, CO2 og metan), der er i Jordens atmosfære, jo sværere er det for Solens lys, der blandt andet er blevet til varme, at slippe ud igen. Der er drivhuseffekt på Jorden, hvor kun en del af den er menneskeskabt. Det store spørgsmål er blot, om den stigende menneskeskabte del betyder så meget, at den samlede drivhuseffekt bliver så stor, at det har betydning for klimaet på Jorden. side 1

Den menneskeskabte del af drivhuseffekten skyldes til dels udslippet af CO2. CO2 er ikke den drivhusgas, der har den største betydning, men det er den drivhusgas, vi mennesker har lettest ved at mindske. CO2-udslippet kan begrænses ved: at begrænse energiforbruget at udnytte energien mere effektivt at benytte energikilder, som udvikler mindre Co2 (fx naturgas frem for kul) at benytte CO2-neutrale energikilder (energikilder, der ikke bidrager til yderligere dannelse af CO2) at plante træer og etablere nye områder med skov Selv om vi danskere ofte tror, at vi er et af de lande, der udslipper mindst CO2 pr. indbygger, forholder det sig faktisk lige modsat. Vi er heller ikke et af de lande, der gør mest for at mindske udledningen af CO2. Hvis vi skulle stoppe ophobningen af CO2 i atmosfæren, siger man, at man skal skære verdens samlede CO2-udledning ned med 60 %. Nogle lande er slet ikke i stand til at skære ned (her tænkes bl.a. på fattige U-lande og lande, der fortsat er dybt afhængige af fossile brændsler), hvorfor andre lande må skære mere ned end andre eller hjælpe andre lande til at danne energi med andre energikilder. Drivhusgasser Drivhusgasser er betegnelsen for gasser, der kan omdanne den infrarøde stråling fra solen til varme. Det gælder bl.a. vanddamp og CO2. Herunder ses de vigtigste drivhusgasser, hvorfra disse gasser kommer, hvor stærke de er, og hvor stort et udslip der er af de forskellige gasser. Kuldioxid (CO2): Fra afbrænding af fossile brændstoffer Fra nedbrydning/afbrænding af biomasse (fx træer, ), som ikke erstattes Metan (CH4): Siver naturligt op fra jorden Fra landbruget (prutter og gylle fra husdyr) Kul-lagre Utætheder i naturgassystemer 32 gange stærkere end CO2 Ozon (O3): Kemiske processer mellem kvælstofoxider (NOx) og kulbrinter (CxHY) ca. 2000 gange stærkere end CO2 Lattergas (N2O): Fra landbruget (kvælstofgødning øger frigørelsen af lattergas fra markerne) I udstødningsgassen fra biler 150 gange stærkere end CO2 Freon/ChloroFluoroCarbon (CFC): Er altid menneskeskabt Blev tidligere brugt som kølemiddel i køleskabe og som drivgas i sprayflasker (bl.a. deodoranter), men er forbudt ved Montreal-konven-tionen I 2010 forventes CFC-produktionerne endelig at være helt ophørt i udviklingslandene Virker desuden ødelæggende på ozonlaget Flere tusinde gange stærkere end CO2 side 2

Udfyld nedenstående skema (vi antager, at der udsendes 100 enheder drivhusgasser i alt): Drivhusgas: Mængde: Forureningsgrad: Kuldioxid (CO2) 50 Metan (CH4) 19 19 32 = 608 Ozon (O3) Lattergas (N2O) Freon/ChloroFluoroCarbon (CFC) Hvilken drivhusgas er værst og hvilken er mildest? Handlemuligheder Hvis vi ser på den hjemlige forurening skyldes den bl.a. kulfyrede kraftværker. Kul er en af de værste miljøsyndere, da der ved forbrændingen af kul udvikles svovldioxid (SO2), kvælstof-ilter(nox) og desuden udvikles der meget kuldioxid (CO2). Det er derfor en rigtig god idé at se på alternative energikilder, der kan bruges til elproduktion og det tyder på, at vi måske skal lede andre steder end i alternative brændsler, da de alle resulterer i ret store CO2-udslip (se figuren nedenfor til venstre). Og der hvor vi skal bruge fossile brændsler, er naturgas det mest miljøvenlige stof. Danmark har på et år et energiforbrug på ca. 812 PJ (1 PJ= 1 048 576 GJ). side 3

Neutrale energiformer Biomasse er en fællesbetegnelse for brugen af træ, halm, affald og dyre-ekskrementer. Når man brænder biomassen under kontrollerede omstændigheder, kan man udnytte den energi, som solens stråler har lagret i planter og dyr. Ved forbrænding af biomasse sker der ikke ændringer i atmosfærens CO2-balance. Der udledes stadig CO2, men ikke i større mængder CO2 end der alligevel ville blive. Drivhuseffekten bliver altså ikke forandret hverken til det værre eller til det bedre ved brug af biomasse. Her er vist princippet på et kul- og oliefyret kraftværk. Princippet er for så vidt det samme, når det gælder biomasse her er det så bare biomasse der bliver ført ind i systemet i stedet for kul og olie. Mange steder er man især begyndt at bruge affald som brændsel, og det gør man fx også på det nærliggende fjernvarmeværk. På biogasanlæg omdannes husdyrgylle og husholdningsaffald til en gas, hovedsageligt bestående af metan, der kan forbrændes ligesom naturgas. Naturgas består også hovedsageligt af metan. Biomasse er altså neutralt i forhold til niveauet af CO2, men ved forbrændingen af biomasse sker der i stedet udslip af nogle andre gasser, der er meget sundhedsskadelige. Det kunne fx være kræftfremkaldende kulbrinter (CxHy) og dioxiner (chlor-gasser), der er organiske opløsningsmidler og som er meget farlige ved indånding. Ved indånding af disse organiske opløsningsmidler, bliver fedtvævet i hjernen ødelagt, hvilket især i slutningen af 80 erne og starten af 90 erne blev kendt som malerhjerne. Malere var bl.a. meget udsat, fordi der var organiske opløsningsmidler i malingen. I dag benyttes denne type maling hovedsageligt udendørs, og det er forbudt at anvende den indendørs uden åndedrætsværn. Ovenstående udvikling af kulbrinter og dioxiner er dog ikke et problem på biogasanlæg, hvor forbrændingen bliver renere og mere effektiv så udvikles disse gasser nemlig ikke. Dog kan anlæggets naboer til biogasanlæg være plaget af lugtgener, og affaldet (slam) fra forbrændingen indeholder tungmetaller og er derfor svært at komme af med. En optimal løsning er dette altså heller ikke. Et af problemerne ved udnyttelsen af biogas til energiproduktion er, at udvindingen af biogas desuden giver en ret stor mængde CO2(kuldioxid) og en smule H2S (svovlbrinte). Princippet ved udvinding af biogas er, at man opvarmer gødning, fx fra husdyr. Gødning er et organisk materiale, som der bor bakterier i. De fleste af bakterierne bruger O2 (ilt) og omdanner det, sammen med noget af det organiske stof, til CO2 (kuldioxid). Når der ikke er mere ilt tilbage, vil disse bakterier dø. Tilbage er så nogle andre bakterier, der udvikler methan, og disse bakterier har ikke behov for ilt: 4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O side 4

Når der udledes methan, vil methanen reagere med andre stoffer, og nogle af de forbindelser, der skabes er sundhedsskadelige; måske endda giftige. Nogle af disse forbindelser kendes som organiske opløsningsmidler. Ved indånding af disse organiske opløsningsmidler, bliver fedtvævet i hjernen ødelagt, hvilket især i 90 erne blev kendt som malerhjerne. Malere var bl.a. meget udsat, fordi der var organiske opløsningsmidler i malingen. I dag benyttes denne type maling hovedsageligt udendørs, og det er forbudt at anvende den indendørs uden åndedrætsværn. Vedvarende energikilder Vedvarende energikilder er energikilder, som aldrig slipper op. Til denne kategori hører vind-, vand- og solenergi. Det vil føre for vidt her at komme nærmere ind på hver enkelt af de vedvarende energikilder, men princippet bag dem er det samme, da alle tre energiformer bygger på induktion. Vindenergi er den energiform, som er mest tydelig for os, fordi man benytter vindmøller til at udnytte vindens energi og omdanne den til strøm. En vindmølle virker ligesom en cykeldynamo: Vinden drejer vingerne rundt Vingerne drejer en aksel i en generator og driver gennem akslen en rotor I generatoren er der enten en magnet, der roterer (rotor) og magnetiserer en jernkerne (stator), som det er vist på billedet til venstre Eller der er en eller flere jernkerner (rotor), der roterer om én magnet (stator), som det er vist på billedet til højre. Hver gang magnetfeltet skifter, skifter strømretningen, og der dannes derfor vekselstrøm Syreregn Skyer består af vanddråber. Når visse gasser, det er særligt svovl- og kvælstofoxider, stiger til vejrs, vil nogle af gasserne reagere med vandet i skyerne. Når disse gasser reagerer med vandet, dannes der syrer, som rammer jorden igen som regn. Syreregn er problematisk, fordi jordbunden i mange lande ikke indeholder stoffer, der kan neutralisere syren. side 5

Sverige modtager mange forsurende stoffer, bl.a. fra England, Tyskland, Polen og Danmark pga. den fremherskende vindretning. Samtidig er Sveriges jordbund ikke særlig kalkholdig og er derfor meget sårbart overfor netop syreregn. I Sverige har problemet med syreregn netop været særligt stort i 1970 erne, hvor der var stort udslip af både svovl- og kvælstofoxider. Det betyder, at planter (bl.a. træer) har sværere ved at gro og leve, samt at vandet i de svenske søer blev surt, og at især dyr med kalkholdige skaller, men også plankton og fisk døde som resultat heraf. Hvorfor er især skaldyr meget udsatte, når søer bliver sure? Syreregn nedbryder kalksten, sandsten og marmor, fordi syren reagerer med kalken deri og omdanner den til gips, der vaskes af med regnen. Gamle bygninger og statuer forvitrer og går derfor tabt. I Danmark vurderer man, at der ødelægges bygninger og skulpturer for 500 millioner kroner pr. år. Den danske jordbund indeholder meget kalk, og derfor neutraliseres meget af syreregnen forholdsvis nemt og hurtigt uden at gøre nogen skade, og derfor har vi heller ikke de samme problemer med sure søer, som Sverige. Desuden kalker landmændene jævnligt markerne, hvilket også medvirker til at mindske problemet. I søer reagerer syren med de metalholdige stoffer fra søbunden og omgivelserne. Hvis du erindrer emnet om Kemiske Bindinger, ved du, at brintatomet fra syren fordriver metalatomerne til venstre for hydrogen på spændingsrækken. Det betyder derfor, at der bliver mere af de frie metaller, blandt andet aluminium, der virker giftigt på fisk og andre organismer. Sure søer kan behandles med kalk, da kalken er en base, der kan neutralisere syren. Hydrogen-ionen fra syren vil reagere med kalk og danne calciumhydrogencarbonat (Ca(HCO3)2), der er neutralt og opløseligt i vand, og derfor bliver udvasket. Kilder til syreregn Der er allerede nævnt flere kilder til syreregn; nemlig svovloxider og kvælstofoxider, men også kuldioxid og chlor er kilder til syreregn. Disse gasser stammer fra bilernes udstødning, fra fabriksrøg og afbrænding. Kvælstofoxiderne dannes også i vores egen atmosfære ved lynnedslag, og vulkaner udsender svovldioxid. Der er altså også naturlige kilder til sur regn. Svovloxider: Svovloxider dækker over stofferne SO2 og SO3. Som nævnt sker der det, at disse gasser reagerer med vandet i skyerne og bliver til syrer. Det vil naturligvis være svovlsyre der især dannes her. Svovlsyre er en af de stærke syrer, der derfor har stor koncentration i forhold til den mængde, man har. Svovldioxid reagerer med luftens ilt og bliver til svovltrioxid: SO2 + O 2 2 SO3 Svovltrioxid reagerer med vandet i skyerne og danner svovlsyre: SO3 + H 2O H2SO4 side 6

Svovlsyren regner ned året rundt og er den værste syreregn, da planterne ikke optager svovlet, og da der dannes forholdsvis store mængder SO2. Kvælstofoxider: Kvælstofoxider er stofferne NO, NO2. Når disse stoffer reagerer med vandet i skyerne, dannes der salpetersyre, der også er en stærk syre. Nitrogenoxid reagerer med luftens ilt og bliver til nitrogendioxid: 2 NO + O2 2 NO2 Nitrogendioxid reagerer med vandet i skyerne og danner salpetersyre og nitrogenoxid (der igen reagerer med ilt og ender med at blive til salpetersyre): 2 NO2 + H2O 2 HNO3 + NO Der vil altså altid være NO tilbage. Er det godt eller skidt og hvorfor? Når regnen indeholder salpetersyre, vil planterne optage kvælstoffet, så en stor del af salpetersyren uskadeliggøres på denne vis. Chlor: Når Chlor(Cl) reagerer med vanddråberne i skyerne, dannes der saltsyre, der er en stærk syre. Chlor-gassen reagerer med vandet i skyerne og danner saltsyre: Cl2 + H2O 2 HCl I praksis er der ikke megen saltsyre-regn, fordi udslip af chlorgasser er ret lille. Kulilter: Kulilter er CO og CO2. Når disse stoffer reagerer med vandet i skyerne, dannes der kulsyre, der er en svag syre. Kulsyre har derfor ikke så stor effekt som hverken salpetersyre eller svovlsyre, men da der udledes meget CO2, har kulsyren altså alligevel en betragtelig betydning. Kulmonooxid reagerer med luftens ilt og bliver til kuldioxid: 2CO + O2 2 CO2 Kuldioxid reagerer med vandet I skyerne og bliver til kulsyre: CO2 + H2O H2CO3 side 7

Forebyggelse af luftforurening En del af den luftforurening, der resulterer i syreregn kan forebygges. Røg kan renses for SO2 ved at lede røgen gennem kalkvand (Ca(OH)2), hvorved der dannes gips: 2 Ca(OH)2 + 2 SO2 + 2 H2O 2 CaSO4 2H2O Man kan også rense røgen for både svovl- og kvælstofilter. Det sker i et såkaldt SNOX-anlæg, hvor man ved at tilsætte ammoniak (NH3) til røggassen er i stand til at skabe reaktioner, hvor man i stedet for at udlede svovl- og kvælstof-ilter, udnytter dem til noget nyttigt og samtidig undgår luftforurening. NO reagerer med ilt og den tilsatte ammoniak og danner kvælstof og vand: 4 NO + O2 + 4 NH3 4 N2 + H2O NO2 reagerer med den tilsatte ammoniak og danner kvælstof og vand: 6 NO2 + 8 NH3 7 N2 + 12 H2O SO2 reagerer med ilt og danner SO3: 4 SO2 + O2 2 SO3 SO3 reagerer med det tilsatte vand og danner svovlsyre: SO3 + H 2O H2SO4 Læg mærke til, at der sker det samme med svovl-ilterne i anlægget, som der sker i skyerne. Men når man udfører processen i SNOX-anlægget, vil intet af gassen slippe op i skyerne, og svovlsyren kan tappes direkte og dermed bruges i industrien. side 8

Neutralisation efter syreregn Når jordbunden allerede er blevet sur, fordi luften allerede er forurenet, skal man altså neutralisere jorden igen, og som du ved fra emnet om kemiske bindinger neutraliserer man en syre ved at tilsætte en base. I praksis bruger man en svag base, oftest kalk. Når kalk reagerer med syren fra syreregnen, sker der følgende reaktioner: Svovlsyre: 2CaCO3 + H2SO4 Ca(HCO3)2 + CaSO4 Salpetersyre: CaCO3 + 2 HNO3 Ca(HCO3)2 + Ca(NO3)2 Saltsyre: CaCO3 + 2 HCl Ca(HCO3)2 + CaCl2 Kulsyre: CaCO3 + 2 H2CO3 Ca(HCO3)2 + CaCO3 Kulstoffets kredsløb Når vi taler om kulstoffets kredsløb, drejer det sig om nogle meget komplicerede processer, da der er kulstof i alle organismer, levende som døde. I atmosfæren findes kulstof hovedsageligt i form af CO2. Kulstof findes desuden i alle de næringsstoffer, der findes i vores mad. På varedeklarationen er energien i maden angivet i 3 (eller 4) kategorier: kulhydrater, protein og fedt (samt evt. alkohol). Alle disse næringsstoffer indeholder kul. Da vi spiser kulstof, er kulstof også en del af vores affaldsstoffer, der forarbejdes i tarmene. Dette gælder naturligvis også for dyr. Det vil føre for vidt her at komme ind på de konkrete reaktioner, der sker med maden inde i kroppen. Her er det hovedsageligt fotosyntesen og respirationsprocessen, vi skal beskæftige os med, og disse to processer udgør da også et kredsløb i sig selv: Respiration (glucose reagerer i vores krop med indåndings-ilten og bliver til CO2, vand og energi): C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + energi Fotosyntese (CO2 og vand reagerer pga. energien fra sollyset i planterne og bliver til ilt og glucose): 6 CO2 + 6 H2O + energi C6H12O6 + 6 O2 side 9

Nitrogens kredsløb NOx udledes af fabrikker, biler og naturen (tordenvejr). NOx er NO og NO2. 1. NO reagerer med luftens ilt og danner NO2: 2 NO + O2 2 NO2 2. NO2 reagerer med regnvandet i skyerne og danner salpetersyre (HNO3) og NO (se igen 1): 3 NO2 + H2O 2 HNO3 + NO 3. HNO3 reagerer med ammoniak fra fx kunstgødning, urin eller lignende. Der dannes ammonium- og nitrat-ioner: HNO3 + NH3 NH4 + + NO3-4. NH4 + reagerer med luftens ilt og bliver til nitrat-ioner, hydrogen-ioner og vand: NH4 + + 2 O2 NO3 - + 2 H + + H2O 5. Bakterier omdanner organisk stof, nitrat-ioner og hydrogen-ioner til nitrogen, kuldioxid og vand: org. stof * + NO3 - + H + N2 + CO2 + H2O 6. Nitrogen reagerer med luftens ilt og bliver til kvælstof-ilten NO eller NO2: N2 + O2 2 NO eller: N2 + 2 O2 2 NO2 7. Kredsløbet starter om igen fra 1. *: organisk stof = stof, der indeholder C side 10