Stoffkreisläufe- Kohlenstoffkreisläufe
Fragen zu Schaki
Fragen zu Schaki
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Flashcards
Nennen Sie die beiden stabilen Kohlenstoffisotope und deren ungefähren Anteil am terrestrischen C-Vorrat.
- 12C-Isotop: ca. 99%
- 13C-Isotop: ca. 1%
Beschreiben Sie einige physikalische und chemische Eigenschaften von Graphit. Was versteht man unter „Graphen“?
Graphit:
- Unter Normalbedingungen stabilste Form des Kohlenstoffs
- hexagonales Netzwerk aus Benzolringen in einer Ebene
- Vertikale Bindungen über van der Waals Kräfte
- Anisotropie(horizontale Bindungskräfte sind stärker als vertikale, hohe el. Leitfähigkeit)
- extrem hohe horizontale Festigkeit
- bei nicht ganz reinem Graphit ist eine leichte Verschiebbarkeit der Schichten möglich → Schmiermittel
Graphen: Das ist die Elementarschicht des Graphit
Wie ist die chemische Stabilität des elementaren Kohlenstoffs (z.B. Diamant) unter den Bedingungen der Erdoberfläche?
In welcher Form würde Kohlenstoff unter Gleichgewichtsbedingungen durchweg vorliegen?
Der Diamant ist unter Normalbedingungen metastabil, das bedeutet er zerfällt. Jedoch ist er in menschlichen Zeitmaßstäben zu vernachlässigen. Bei größerer Hitze kann ein Diamant zu CO2 oxidieren. Er ist jedoch eines der härtesten Materialien, die wir auf der Erde kennen. Er wird zum Beispiel als Schleifmittel benutzt und führt die Mohs'sche Härteskala an.
Unter Gleichgewichtsbedingungen kommt Kohlenstoff als CO2 vor.
Ordnen Sie 5 wichtige globale Kohlenstoffpools nach ihrer quantitativen Bedeutung.
Carbonatgesteine (Ölschiefer)
organische Sedimentgesteine
Ozeane
Fossile Brennstoffe (Kohle)
Humus
Was versteht man unter Kerogen? Beschreiben Sie die kurz, wie es entsteht.
Als Kerogen werden organische Bestandteile, die als faulschlammähnliche Ablagerungen auf den Meeresboden absinken und dann diagenetisch verfestigt werden, bezeichnet. Sie sind hoch molekular und in Lösemittel unlöslich. Kerogen ist das Ausgangsmaterial für die Bildung von Erdgas und Erdöl.
Die ehemalige Ölschiefergrube Messel bei Darmstadt ist in ihrem Fossilreichtum global einzigartig.
Beschreiben Sie kurz die dortige Ölschierferentstehung auch im Zusammenhang mit dem guten Erhaltungszustand der Fossilien. In welchem Erdzeitalter sind die Sedimente entstanden?
Die Grube Messel ist ein Tertiär verlandeter Maarsee. Durch Giftige Gase und steile Ufer führten zum schnellen Tod der saufenden Tierwelt geführt. Durch die anaeroben Verhältnnisse im Wasser entstand eine einmalig Fossilhülle mit hervorragendem Erhaltungszustand.
Beschreiben Sie kurz am Beispiel des Schwarzen Meeres wie unter bestimmten Bedingungen organischer Kohlenstoff in marinen Sedimenten sequestriert werden kann.
Das schwarze Meer ist etwas mehr als 2000m tief und verfügt dadurch über einen sehr eingeschränkten Austausch mit den anderen Meere. Oberflächennah findet eine erhebliche biotische Aktivität, durch die dortigen Temperaturbedingungen und Nährstoffzufuhr, statt. Abgestorbene Organismen sinken zu Boden und können durch den niedrigen O2 Austausch nicht aerob abgebaut werden. Ab einer Tiefe von 80m ist das Wasser sauerstofffrei. Nach dem Verbrauch alternativer Elektronenakzeptoren wie NO3 und SO4, kommt die Mineralisation weitesgehend zum Erliegen.
Die Bildung organischer Faulschlämme wird begünstigt durch hohe Temperaturen und schlechte Durchmischung.
Beschreiben Sie die Enstehung von Erdgas und Erdöl aus Kerogen.
Welche Vorraussetzungen sind nötig, dass sich abbauwürdige Vorkommen bilden?
Kerogen kann unter bestimmten Ausgangsbedingungen zu Erdöl und Erdgas werde. Für Erdöl ist eine Tiefe von 2000 bis 5000m notwendig und für Erdgas mindestens 5000m. Neben dem Druck sind auch höhe Temperaturen nötig. Damit Erdgas und Erdöl ausfällt müssen organische Bestandteile mobil werden. Wenn Erdgas ensteht, entsteht begleitend Methan.
Rote Bändereisenerze sind wichtige Zeugen der frühen, präkambrischen Erdatmosphäre.
Erläutern Sie kurz die Bedingungen ihrer Entstehung. Gehen Sie dabei auch auf die chemische Verwitterung an Land ein („Bodenchemie“ im Präkambrium).
Rote Bändereisenerze sind marine Ablagerungen. Sie entstanden durch die Aktivität von frühen Cyanobakterien, wodurch Fe(||) frei wurde. Das Eisen kann nur unter aeroben Bedingungen frei werden.
CO2 wurde von einigen Organismen als Kohlenstoffquelle genutzt, dabei wurde elementarer Sauerstoff frei. Dieser wurde durch ein erhöhtes gelöstes Eisenvorkommen in den Meeren abgefangen. dadurch entstanden riesige mengen an Eisenerzen → die roten Bändereisenerze.
(2FeII + 3O -> Fe2O3)
Während des Devons kam es zu einem sehr starken Rückgang des atmosphärischen Kohlendioxids.
Nennen Sie 3 Hypothesen jeweils mit einem kurzen erläuternden Satz, wieso die Entwicklung der Landpflanzen und der tief durchwurzelten Böden in diesem Erdzeitalter diesen starken Rückgang bewirkt haben könnte.
- Biomasseanreicherung: Während des Devons entstanden die ersten weiter entwickelten Pflanzen (differenzierter Spross und Wurzeln). Diese banden mehr Biomasse,welche aus dem atmosphärischen CO2 stammt
- Kohlebildung: aus abgestorbenen Pflanzenteilen führt dazu, dass wenigerKohlenstoff an die Atmosphäre zurückgegeben wird
- Zunahme chemischer Verwitterung: beispielsweise durch Calcium-Feldspat (CaAl2Si2O8), führte zu einer Bindung von Kohlenstoff als Calciumhydrogencarbonat. Diese Form chemischer Verwitterung ist auf eine Nachlieferung von Calcium angewiesen
Setzen Sie sich kritisch mit der Aussage auseinander:
„96 % des anthropogen freigesetzten CO2 wird durch die Ozeane gebunden. Das Gerede vom anthropogen ausgelösten Klimawandel ist daher Panikmache.“
Eine Aufnahme von 96% findet nur bei Vorhandensein von Calcit statt. Außerdem stehen die Ozeane in einem Lösungsgleichgewicht, dass sich innerhalb sehr langer Zeiträume (Jahrhunderte bis Jahrtausende) einstellt. Die Aufnahme von CO2 ist räumlich nicht gleichmäßig verteilt, sondern an den Orten der stärksten Emissionen konzentriert.
Bis eine Durchmischung innerhalb der Ozeane zustande kommt, dauerst es ebenfalls recht lange (Jahrhunderte, -tausende).
Unter welchen Bedingungen fallen Carbonatgesteine als chemisches Sediment aus?
Es sind hohe CO2 Partialdrücke notwendig, sowie bestimmte Mengen an Calcium und Tmeperaturen. dadurch entstehen übersättigte Lösungen, aus denen gebanktes Kalk ausfallen kann.
Ein erheblicher Anteil der weltweit vorhandenen Kalksteine (CaCO3) ist biogenen Ursprungs. Unter welchen marin-ökologischen Situation ist es für Meeresorganismen wichtig, kontrolliert CaCO3 auszuscheiden?
Obwohl die Karbonate ein „Entsorgungsproblem“ darstellen, bieten sie auch Vorteile. Beispielsweise einen gewissen mechanischen Schutz und die Bildung einer Skelettstruktur.
Riffkalke sind ebenfalls durch biogene Ausscheidungen von CaCO3 entstanden. Und dienen als Lebensraum für eine vielzahl an Wasserorganismen.
Erläutern Sie kurz die chemischen Vorgänge und ihren biologischen Hintergrund bei der Entstehung von Steinkorallen-Riffen
In warmen, Ca2+ -reichen Gewässern entnehmen bestimmte Cyanobakterien in Vergesellschaftung mit Algen CO2 zur Photosynthese aus dem Wasser. Dies führt dazu, dass weniger Kohlensäure im Wasser vorhanden ist. Dies wiederum führt zum Ausfallen von Calciumcarbonat
Unter welchen Bedingungen kommt es in (semi)terrrestrischen Ökosystemen zu einem
Mißverhältnis zwischen Humifizierung und Mineralisierung mit der Folge einer starken
Anreicherung von organischer Substanz? Denken Sie an Moortypen und Humusformen.
Unter welchen Bedingungen verläuft diese Anreicherung besonders schnell?
Zu geringe Temperaturen, ungünstiger pH-Bereich, Stickstoffarmut (Stichwort: C/N-Verhältnis) und Sauerstoffarmut wirken sich negativ auf das Bodenleben aus und stellen so Mineralisationshemmnisse dar.
Unter den Bedingungen, die ein subtropisches Niedermoor (Everglades, Mississippi-Delta) ausmachen (vor allem höhere Temperaturen), vollzieht sich der Biomasseumsatz besonders schnell.
Wo entstehen Torfe, Braunkohlen und Steinkohlen? Wie stehen diese Stoffe miteinander in
Beziehung?
Torf → Braunkohle → Steinkohle
Sie entstehen hauptsächlich in Niedermooren.
Durch starke Humifizierung entsteht zuerst Torf. Bei nicht allzu schnell wachsendem Wasserspiegel oder Absenkung des Niedermoorhorizontes wächst die Torf - schicht weiter an. Bei zu schnellem Anstieg des Wasserspiegels kommt es zu einer Sedimentenüberschüttung.
Eine solche Überdeckung kann dazu führen, dass der Torf in Braunkohle übergeht, welche kaum noch Wasser und Sauerstoff enthält. Wenn sich Sedimentablagerung von mehreren hundert Metern bilden, wird der Druck groß genug, um Steinkohle hervorzubringen.
Einen Zusammenhang gibt es also dadurch, dass Steinkohle aus Braunkohle und diese aus Torf entsteht. Je tiefer der Boden umso weniger Wasser und Sauerstoff enthalten diese Ablagerungen
Unter welchen geologischen Bedingungen kann aus einem niedermoorartigen Ökosystem
ein abbauwürdiges Kohlenflöz entstehehen?
Beispielsweise eignet sich die Ruhrkohle sehr gut für einen Abbau. Während des Karbon hat sich dort eine 3,9km dicke Sedimentfolge gebildet, in der viele Flöze (mit Mächtigkeit >1m) gebildet.
Es gibt ein jüngeres und zwei ältere Erdzeitalter, in denen global großflächig
semiterrestrische organische Sedimente abgelagert wurden.
Welche Erdzeitalter sind das,wie unterescheiden sich die Sedimente.
Wo in Deutschland haben, bzw. hatten diese Sedimente als Energieträger große wirtschaftliche Bedeutung?
Das Karbon, Perm und Tertiär. Je nach alter hat man es mit Torf, Braunkohle oder Steinkohle (später auch Anthrazit) zu tun. Wassergehalt und flüchtige Bestandteile nehmen mit dem Alter ab, Kohlenstoffgehalt, Aschegehalt und Heizwert nehmen zu.
Im Ruhrgebiet
Erläutern Sie den Prozess der Inkohlung.
Der Prozess der Inkohlung ist die diagenetische Umbildung organischer Rück-stände (Streu von Sumpf- und Moorpflanzen) in Kohle.
Schritt1: Verforfung als biochemischer Vorgang unter Beteilgung von Mikroorganismen (Humifizierung)
Schritt 2: Metamorphe Umbildung durch Druck und Temperatur. Der Torf wird überdeckt und dem Druck darüberliegender Schichten ausgesetzt. Dabei wird Wasser ausgepresst, flüchtige Bestandteile entweichen (Wasserstoff und Sauerstoff nehmen ab), der Kohlenstoffanteil und der Heizwert steigen. Frühe Inkohlungsstadien nennt man Braukohle, spätere Stadien Steinkohle. Die hochwertigste Kohle ist der Anthrazit. Weitere metamorphe Umbildung kann zu Graphitlagerstätten führen.
Braunkohle, englisch „Lignite“ ist meist tertiären Ursprungs, Steinkohle meist permisch oder karbonisch.“
