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GliederungGliederung
1 D fi iti B d1 Definition Boden
2 Bodenentwicklungg
3 Lebensraum Boden
• Fauna
• FloraFlora
4 Stoffkreislauf
5 Bodeneigenschaften
6 Boden im Unterricht6 Boden im Unterricht
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtDefinition
1 Definition• Unter Boden versteht man die obere,
lockere belebte Verwitterungsschicht derlockere, belebte Verwitterungsschicht der Erdkruste.
• Standort für Pflanzen & Basis für vielfältige Nahrungsnetze.
Lebensgrundlage für alle Lebewesen der ErdeErde
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtDefinition
1 DefinitionAtmosphäreAtmosphäre
Hydrosphäre BiosphärePedosphäre
Lith häLithosphäre
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtBodenentwicklung
2 Bodenentwicklung• Böden entstehen aus Gesteinen durch den
Einfluss verschiedener Faktoren:Einfluss verschiedener Faktoren:
• Ausgangsgestein (G)g g g ( )
Klima (K)
Vegetation & Bodenorganismen (O)
Oberflächenrelief (R)Oberflächenrelief (R)
menschliche Einwirkungen (M)
Zeit (Z)
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtBodenentwicklung
2 Bodenentwicklung
B = f (G, K, O, R, M) · Z
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtBodenentwicklung
2 Bodenentwicklung• Bodenbildende Verwitterungsvorgänge
Nieder-schlag
chemische
schlag
GelösteStoffe
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtBodenentwicklung
2 Bodenentwicklung• Bodenbildende Verwitterungsvorgänge
physikalische
WindWasser Tempe-
ratur
Nieder-schlag
chemische
schlag
GelösteStoffe
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D t ti 1Demonstration 1
Frostsprengungp g g
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtBodenentwicklung
2 Bodenentwicklung• Bodenbildende Verwitterungsvorgänge
physikalische
WindWasser Tempe-
ratur
Nieder-schlagbiologische
chemische
schlagg
Pflanzen
GelösteStoffe
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D t ti 2Demonstration 2
Wurzelsprengkraftp g
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtBodenentwicklung
2 Bodenentwicklung
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtBodenentwicklung
2 Bodenentwicklung
• Bodenzusammensetzung: 25 % Luft
45 % mineralische 7 % mineralische
Substanz
%organische
Substanz
23 % Wasser
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtFauna- Lebensraum
3 Lebensraum Boden - FaunaMikro-organismen
1033
organismenMikro-fauna
1021
faunaMeso-fauna
1015
faunaMakro-Fauna
180FaunaMega-fauna
100fauna
• Fläche von 1 m2 und 30 cm Tiefe
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtFauna- Lebensraum
Tätigkeit der Bodenorganismen
• Bodenorganismen bauen organischeBodenorganismen bauen organische Ausgangsprodukte zu anorganischen Endprodukten um
Mineralisierung = Abbauprozess
• Freisetzung von CO2g 2
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V h 1Versuch 1
Bodenatmungg
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtFauna- Lebensraum
Titration" " + -
2 (l) 2(aq) 2 3 (aq) 3 (aq)H O +CO H CO H +HCO
+ -H + OH H O(aq) (aq) 2 (l)H + OH H O
- - 2-3 (aq) (aq) 2 (l) 3 (aq)HCO +OH H O +CO
- - -2 (CO ) (OH ) (OH ) (OH )- - -2 0 un2n(CO )= n (OH ) - n (OH )= n(OH )
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtFauna- Lebensraum
3 Lebensraum Boden- Fauna
• Bodenorganismen scheiden eine Vielzahl von Enzymen aus
Katalase
• setzt H2O2 um
• Umsatzzahl von Molekülen/min eines d ff k b h
65 10⋅der effektivsten Enzyme überhaupt
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtFauna- Lebensraum
3 Lebensraum Boden- Fauna
• Katalase enthält 4 Porphyrin- Häm-GruppenGruppen
tetrameres Enzymtetrameres Enzym
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Versuch 2Versuch 2
KatalasetestKatalasetest
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtFauna- Lebensraum
Katalasewirkung-1 -2 0
Katalase2(aq) (l) 2(g)2 22 H O 2H O + O⎯⎯⎯⎯→ ↑2(aq) (l) 2(g)2 22 H O 2H O + O→ ↑
Katalasewert (mL O2/min) Bodenbeurteilung0 - 5 sehr schlecht6 - 14 schlecht15 25 befriedigend15 25 befriedigend
26 – 49 gut50 & höher sehr gut50 & höher sehr gut
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtFauna- Lebensraum
Katalase- Enzym
+3 -1 + +4 -2
Bildung des Eisen(IV)-Porphyrinradikalkations:•+3 1 + +4 2
22 2Enz(Por-Fe ) +H O Enz(Por -Fe=O) +H O•
→
Rückbildung des Ferriporphyrins:+ +4 -1 +3 0 -2
2 22 2Enz(Por -Fe=O)+H O Enz(Por-Fe )+O H O•
→ +
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtFauna- Lebensraum
MechanismusRed. Form,
Ruhezustand
H2O2H2O; O2
2 e- Transfer 2 e- Transfer
H2OH2O2
Ox FormOx. Form,Aktives Enzym
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtLebensraum- Flora
3 Lebensraum - Flora
• Wurzeln der Pflanzen scheiden aktiv Protonen aus
• Sie besitzen spezielle Protonenpumpen
• Der pH-Wert in unmittelbarer Umgebung der Wurzel ist um 1-2 pH Einheiten niedriger als im restlichen Bodenim restlichen Boden
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Demonstration 3Demonstration 3
Säureabgabe derSäureabgabe der WurzelnWurzeln
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtLebensraum- Flora
Säureabgabe von Wurzeln
6,55,8 7,6
pH Skala BTB
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtLebensraum- Flora
Nährstoffaufnahme
• Makronährelemente:
C, O, H, N, P, S, K, Ca, Mg, Fe
• Mikronährelemente:
Mn, Zn, Cu, B, ClMo, Ni, Cl
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtLebensraum- Flora
Nährstoffaufnahme
N Aminosäuren → Proteinen
P Nucleinsäuren, Adenosintriphosphat p p(ATP)
Mg Zentralatom des Chlorophylls aktiviertMg Zentralatom des Chlorophylls, aktiviert viele Enzyme
Fe Bestandteil der prosthetischen Gruppen verschiedener Enzyme (u.a.Katalase), wichtig für die Chlorophyllsynthese
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtStoffkreislauf
4 Stickstoffkreislauf
• N2-gehalt in der Atmosphäre: 78%
nicht nutzbar für die Pflanzen!
Stickstofffixierende Bakterien
• Im Boden liegt Stickstoff zu 95% in• Im Boden liegt Stickstoff zu 95% in organischer Form vor
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtStoffkreislauf
4 Stickstoffkreislauf2N
biologisch
Denitrifikation
biologisch
technisch
Ammonifikation
Nitrifikation3 3
3 4N H N H− −
+3
2N O+
−5
3N O+
− Auswaschung
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtStoffkreislauf
4 Stickstoffkreislauf
• Haber Bosch:katalytisch, 500 °C, 200 bar
3H +N 2NH +92kJ
K öll h b kt i
2(g) 2(g) 3(g)3H +N 2NH +92kJ
• Knöllchenbakterien:enzymatisch, Umgebungstemp., Normaldrucky , g g p ,
Nitrogenase- +2N +8e +8H +16 ATP ⎯⎯⎯⎯⎯→
3 2 i 2NH +H +16ADP+P
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V h 3Versuch 3
Nitratnachweis
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtStoffkreislauf
Nitratnachweis
+5 +22+ + 3+- 2+ + 3+
3 (aq) (aq) (aq) (aq) (aq) 2N O +3Fe +4H 3Fe +N O +2H O→
+2 +2 +22+
(aq) 2 6 2 5 (aq) 2N O + Fe (H O) Fe (H O) (NO) +H O⎡ ⎤ ⎡ ⎤→⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦ ⎣ ⎦brauner Ring
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtStoffkreislauf
Gesetz des Minimums
Justus von LiebigJustus von Liebig,1850
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtEigenschaften
5 Bodeneigenschaften
• Tonminerale bilden sich durch die Verwitterung von Silicatgesteinen
• Die Grundbaueinheit der Silikate:
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtEigenschaften
Tonminerale
• Isomorpher Ersatz des Si4+-Ions durch Al3+
negative Überschussladung
• Sie ähneln den Schichtsilicaten• Sie ähneln den Schichtsilicaten
• Schichten von (Si, Al)O4- Tetraedern & ( , ) 4
(Al, Mg, Fe)O6-Tetraedern
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtEigenschaften
Tonminerale
Tetraederschicht
ZwischenschichtkationenK+
O2-Tetraederschicht
Si4+/ Al3+
OH-
OktaederschichtOH
Al3+
Tetraederschicht
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V h 4Versuch 4
il i kFilterwirkung von BödBöden
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtEigenschaften
Filterwirkung von BödenBr Br
O
Br Br
OHO N
Br Br
COO-
SN NH3C CH3
COOCH3 CH3
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften Unterricht
B d i h ft
Eigenschaften
Bodeneigenschaften• Die Bodenmatrix ist negativ geladen
• Neben Tonmineralien sind auch Huminstoffe negativ geladennegativ geladen
Humusbildung ist ein AufbauprozessHumusbildung ist ein Aufbauprozess
A P tik l F t• Anorg. Partikel + org. Fragmente
Ton- Humus- Komplexe
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtEigenschaften
Bodeneigenschaften
• Boden ist ein Kationenaustauscher
Reservoir für Pflanzennährstoffe
verhindert die Auswaschung aus dem Bodeng
bindet jedoch auch Schwermetallkationenbindet jedoch auch Schwermetallkationen
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtEigenschaften
Bodeneigenschaften
Kationenaustausch--- +
- Kationenaustausch-kapazität:-
- ++
+Tonmineralien: 0,2 – 0,8 mol/kg-
-
- + ++
+
Org. Substanzen:1,5 – 5 mol/kg-
-
-
+
+-
-
++
+Sternschicht
Elektrische DoppelschichtDiffuse Ionenschicht
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Versuch 5Versuch 5
Ionenaustausch
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften UnterrichtEigenschaften
Verdrängungsreaktion
+3+ H O
Ca2+
Na+
Mg2+
K+
Na+Fe3+ Ca2+
Na+Mg2+
K+
Na+Fe3+
H3O+3+ H O
Ca2+
NaAl3+
Fe3+Ca2+
K
Ca2+Al3+
Fe3+Ca2+
K+H3O
Ca2+M 2+ Fe3+ Ca2+
M 2+ Fe3+K+K+
2
Na+
Al3+
Mg2+
Ca2+
K+
Na+
Ca2+
Ca
Na+
Al3+
Mg2+
Ca2+K+Na+
K+K+
++ K
2 2
Ca2+Fe3+
CaFe3+K+
K+K+
2+ 2-(aq) 2 4 (aq) 2 4(s)Ca +C O CaC O
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften Unterricht
7 Boden ein Thema für denUnterricht
7 Boden- ein Thema für den ChemieunterrichtChemieunterricht
• Erlernen chemischer Basiskonzepte
• Fachübergreifender Aspekte (Biologie, Geographie)Geographie)
Lebensweltbezug• Lebensweltbezug
Sensibilisierung für Umweltbelange• Sensibilisierung für Umweltbelange
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Definition StoffkreislaufFauna- Lebensraum -Flora Bodenentwicklung Eigenschaften Unterricht
L h l b (G8)
Unterricht
Lehrplanbezug (G8)
• 9. Klasse
W l R kti tWasser als Reaktionspartner
A fb d F kti Böd• Aufbau und Funktion von Böden
• Bodenuntersuchungen:• Bodenuntersuchungen:
Nachweis von MineralsalzenNachweis von Mineralsalzen
IonenaustauschkapazitätIonenaustauschkapazität
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