Aufgaben: Natürlicher Stoffkreislauf und Gleichgewicht

Kohlenstoffdioxid löst sich in Wasser teilweise unter Bildung von Kohlensäure.

1. a) Fassen Sie die Gleichgewichte $\mathrm{CO_2(g) \rightleftharpoons CO_2(aq)}$ und $\mathrm{CO_2(aq) + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-}$ zu einer Gesamtgleichung zusammen.
2. b) Erklären Sie, warum Mineralwasser mit Kohlensäure leicht sauer reagiert.
3. c) Nennen Sie, was beim Öffnen einer Mineralwasserflasche mit dem gelösten $\mathrm{CO_2}$ geschieht.

Der Kohlenstoffkreislauf verbindet Atmosphäre, Biosphäre und Hydrosphäre.

1. a) Nennen Sie je zwei Prozesse, die $\mathrm{CO_2}$ in die Atmosphäre freisetzen bzw. entnehmen.
2. b) Formulieren Sie die Gesamtgleichung der Photosynthese.
3. c) Nennen Sie die Gesamtgleichung der Zellatmung für Glucose.

Kalkstein ($\mathrm{CaCO_3}$) löst sich in kohlensäurehaltigem Wasser.

1. a) Formulieren Sie die Reaktionsgleichung für die Bildung von Calciumhydrogencarbonat.
2. b) Nennen Sie, welche Bedeutung diese Reaktion für Tropfsteinhöhlen hat.

Der Ozean nimmt einen Teil des anthropogenen $\mathrm{CO_2}$ auf. Das Gleichgewicht lautet $\mathrm{CO_2(aq) + H_2O \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-}$.

1. a) Erklären Sie mit dem Prinzip von Le Chatelier, wie ein steigender $\mathrm{CO_2}$-Partialdruck in der Atmosphäre den pH-Wert des Meerwassers beeinflusst.
2. b) Schildern Sie die möglichen Folgen für Organismen mit Kalkschalen ($\mathrm{CaCO_3}$) mithilfe des Gleichgewichts $\mathrm{CaCO_3 + H^+ \rightleftharpoons Ca^{2+} + HCO_3^-}$.
3. c) Nennen Sie einen Eingriff des Menschen, der diesen Kreislauf beeinflusst.

Eine Tonne Benzin (vereinfacht als reines Octan betrachtet) wird verbrannt; es gilt $\mathrm{C_8H_{18} + 12{,}5\,O_2 \rightarrow 8\,CO_2 + 9\,H_2O}$ ($M(\mathrm{C_8H_{18}}) = 114{,}2\,\mathrm{g\cdot mol^{-1}}$, $M(\mathrm{CO_2}) = 44{,}01\,\mathrm{g\cdot mol^{-1}}$).

1. a) Berechnen Sie die Masse $\mathrm{CO_2}$, die bei der Verbrennung von $1{,}00\,\mathrm{t}$ Octan freigesetzt wird.
2. b) Ein Buchenwald in Nordrhein-Westfalen bindet etwa $10\,\mathrm{t}$ $\mathrm{CO_2}$ pro Hektar und Jahr. Berechnen Sie die Waldfläche in Hektar, die für die Bindung des $\mathrm{CO_2}$ aus a) in einem Jahr nötig wäre.

Der Kohlenstoffkreislauf wird durch das Verbrennen fossiler Brennstoffe gestört.

1. a) Erklären Sie, warum der Vorgang als Eingriff in ein Fließgleichgewicht beschrieben werden kann.
2. b) Unterscheiden Sie kurzfristige (Biosphäre) und langfristige (Gesteine, fossile Lagerstätten) Kohlenstoffspeicher.
3. c) Beurteilen Sie, ob die Verbrennung von Holz klimaneutral sein kann, und geben Sie Bedingungen an.

In einer Aquarienanlage wird $\mathrm{CO_2}$ eingeleitet, um Wasserpflanzen zu düngen. Der pH-Wert sinkt von $8{,}0$ auf $6{,}8$.

1. a) Erklären Sie die pH-Änderung mit den Gleichgewichten der Kohlensäure.
2. b) Berechnen Sie das Verhältnis der Oxonium-Ionen-Konzentrationen nach und vor der Einleitung.
3. c) Beurteilen Sie, warum karbonathaltiges Wasser (hohe Karbonathärte) den pH-Wert stabilisiert (Puffer-Prinzip, qualitativ).

Kalkhaltiges Grundwasser tritt in einer Höhle in der Eifel aus und gibt $\mathrm{CO_2}$ an die Höhlenluft ab, wobei Kalk als Tropfstein ausfällt.

1. a) Formulieren Sie das Gleichgewicht $\mathrm{Ca^{2+} + 2\,HCO_3^- \rightleftharpoons CaCO_3 + CO_2 + H_2O}$ und erklären Sie mit Le Chatelier, warum $\mathrm{CaCO_3}$ ausfällt, wenn $\mathrm{CO_2}$ entweicht.
2. b) Ein Boiler verkalkt in Gegenden mit hartem Wasser. Erklären Sie dies mit dem gleichen Gleichgewicht und der Temperaturabhängigkeit der $\mathrm{CO_2}$-Löslichkeit.
3. c) Bewerten Sie, ob das Gleichgewicht in einem geschlossenen oder offenen System stärker nach rechts verschoben wird.

Eine Studie berichtet: „Der $\mathrm{CO_2}$-Gehalt der Atmosphäre stieg von $280\,\mathrm{ppm}$ (vorindustriell) auf $420\,\mathrm{ppm}$. Etwa die Hälfte der menschlichen Emissionen verbleibt in der Atmosphäre."

1. a) Berechnen Sie die relative Zunahme in Prozent.
2. b) Erklären Sie, wo die andere Hälfte der Emissionen vermutlich bleibt, und nennen Sie den jeweils zugrunde liegenden Prozess bzw. das zugrunde liegende Gleichgewicht.
3. c) Bewerten Sie die Aussage der Studie kritisch: Welche Zusatzinformationen (Quelle, Zeitraum, Messmethode) benötigen Sie, um sie zu beurteilen?