Ozon und Ozonschicht - Chemie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Chemie, Klasse 7-8, G-Niveau

Einleitung

Ozon ist eine besondere Form des Elements Sauerstoff. Ein Ozonmolekül besteht aus drei Sauerstoffatomen und besitzt die Formel ${\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}$. Gewöhnlicher Luftsauerstoff besteht dagegen aus Molekülen mit der Formel ${\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$.

Für die Wirkung von Ozon ist sein Aufenthaltsort entscheidend: In der Stratosphäre schützt es Lebewesen vor energiereicher Ultraviolettstrahlung. In Bodennähe ist dasselbe Molekül ein giftiges Reizgas und Bestandteil des photochemischen Smogs.

In diesem aiMOOC lernst Du den Bau des Ozonmoleküls, die Bildung und den Abbau der Ozonschicht, die Wirkung von FCKW sowie die Bedeutung des Montreal-Protokolls kennen.

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Chemische Grundlagen

Ozon als Modifikation des Sauerstoffs

Ozon und molekularer Sauerstoff bestehen aus demselben Element, besitzen aber unterschiedliche Molekülstrukturen. Solche unterschiedlichen Erscheinungsformen eines Elements heißen allotrope Modifikationen.

Stoff	Formel	Teilchen	Bedeutung
Sauerstoff	${\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$	zwei Sauerstoffatome	lebensnotwendiger Bestandteil der Luft
Ozon	${\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}$	drei Sauerstoffatome	UV-Schutz in der Stratosphäre, Schadstoff in Bodennähe

Ozon ist reaktionsfreudiger als Sauerstoff und wirkt als starkes Oxidationsmittel. In hoher Konzentration ist es giftig. Reines Ozon ist bläulich; in den sehr geringen Konzentrationen der Atmosphäre ist es nicht sichtbar.

Molekülbau und Mesomerie

Das Ozonmolekül ist gewinkelt. Seine Elektronen können nicht vollständig durch nur eine einzige Lewis-Formel beschrieben werden. Zwei Grenzstrukturen tragen zur tatsächlichen Elektronenverteilung bei. Dieser Zusammenhang heißt Mesomerie oder Resonanz.

Beide Sauerstoff-Sauerstoff-Bindungen sind deshalb gleichwertig. Ihre Bindungsordnung liegt zwischen einer Einfach- und einer Doppelbindung. Das mittlere Sauerstoffatom trägt in den Grenzstrukturen eine positive Formalladung, eines der äußeren Atome eine negative Formalladung.

Die Zersetzung von Ozon kann vereinfacht so geschrieben werden:

$\mathrm{2}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{\to }\mathrm{3}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$

Ozon ist jedoch nicht nur ein instabiles Molekül. Seine ständige Bildung und Spaltung ist ein zentraler Bestandteil der Chemie der Atmosphäre.

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Ozon in der Atmosphäre

Troposphäre und Stratosphäre

Die Atmosphäre besteht aus mehreren Schichten. Die Troposphäre reicht vom Erdboden bis ungefähr 8 bis 18 Kilometer Höhe. Darüber liegt die Stratosphäre.

Etwa 90 Prozent des atmosphärischen Ozons befinden sich in der Stratosphäre. Die höchste Ozonkonzentration liegt meist ungefähr zwischen 20 und 30 Kilometern Höhe. Die Ozonschicht ist keine feste oder scharf begrenzte Hülle, sondern ein Höhenbereich mit erhöhter Ozonkonzentration.

Bereich	Wirkung des Ozons
Stratosphäre	absorbiert einen großen Teil der schädlichen UV-Strahlung
Troposphäre	reizt Atemwege und schädigt Pflanzen

Messung in Dobson-Einheiten

Die gesamte Ozonmenge über einem Ort wird häufig in Dobson-Einheiten angegeben. Würde man das gesamte Ozon einer Luftsäule unter Normbedingungen am Boden sammeln, entsprächen 300 Dobson-Einheiten nur einer etwa drei Millimeter dicken Ozonschicht:

$\mathrm{300}\mathrm{D}\mathrm{U}\mathrm{\approx }\mathrm{3}\mathrm{m}\mathrm{m}$

Satelliten, Bodenmessgeräte und Ballonsonden beobachten die räumliche und zeitliche Veränderung der Ozonkonzentration.

Bildung der Ozonschicht

Der Chapman-Zyklus

Die natürliche Bildung und Spaltung von Ozon wird im vereinfachten Modell als Chapman-Zyklus beschrieben.

Zuerst spaltet energiereiche UV-C-Strahlung ein Sauerstoffmolekül:

${\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{h}\mathrm{\nu }\mathrm{\to }\mathrm{2}\mathrm{O}\mathrm{\cdot }$

Ein Sauerstoffatom reagiert danach mit einem Sauerstoffmolekül. Ein drittes Teilchen $\mathrm{M}$ nimmt überschüssige Energie auf:

$\mathrm{O}\mathrm{\cdot }\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{M}\mathrm{\to }{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{M}$

Ozon kann wiederum Licht absorbieren und gespalten werden:

${\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{h}\mathrm{\nu }\mathrm{\to }{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{O}\mathrm{\cdot }$

Außerdem können ein Sauerstoffatom und ein Ozonmolekül zu zwei Sauerstoffmolekülen reagieren:

$\mathrm{O}\mathrm{\cdot }\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{\to }\mathrm{2}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$

In einer ungestörten Stratosphäre stehen Bildung und Abbau in einem dynamischen Gleichgewicht. Die absorbierte Strahlungsenergie wird dabei teilweise in Wärme umgewandelt.

Schutz vor UV-Strahlung

Die Sonne sendet UV-A, UV-B und UV-C aus. Sauerstoff und Ozon absorbieren praktisch die gesamte UV-C-Strahlung. Ozon hält außerdem einen großen Teil der biologisch besonders wirksamen UV-B-Strahlung zurück. UV-A erreicht die Erdoberfläche dagegen weitgehend.

Eine geschwächte Ozonschicht kann deshalb zu einer stärkeren UV-B-Belastung führen. Dadurch steigen Risiken für Haut, Augen, Pflanzen und Plankton.

Chemischer Abbau von Ozon

FCKW und Chlorradikale

FCKW wurden früher unter anderem als Kältemittel, Treibmittel und bei der Herstellung von Schaumstoffen verwendet. In der Troposphäre sind viele FCKW sehr stabil. Dadurch können sie bis in die Stratosphäre gelangen.

Dort spaltet energiereiche UV-Strahlung Chloratome aus den Molekülen ab. Ein vereinfachtes Beispiel ist:

$\mathrm{C}{\mathrm{F}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{h}\mathrm{\nu }\mathrm{\to }\mathrm{C}{\mathrm{F}}_{\mathrm{2}}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{\cdot }\mathrm{+}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{\cdot }$

Das Chlorradikal reagiert mit Ozon:

$\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{\cdot }\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{\to }\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{O}\mathrm{\cdot }\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$

Danach kann das Chlorradikal zurückgebildet werden:

$\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{O}\mathrm{\cdot }\mathrm{+}\mathrm{O}\mathrm{\cdot }\mathrm{\to }\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{\cdot }\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$

Die Gesamtreaktion lautet:

${\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{O}\mathrm{\cdot }\mathrm{\to }\mathrm{2}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$

Da das Chlorradikal am Ende erneut vorliegt, wirkt es als Katalysator. Ein einziges Chloratom kann deshalb nacheinander sehr viele Ozonmoleküle abbauen.

Auch bromhaltige Stoffe können Ozon katalytisch abbauen. Bromradikale sind pro Atom besonders wirksam, kommen aber in geringeren Mengen vor.

Warum entsteht das Ozonloch über der Antarktis?

Das Ozonloch ist kein vollständig ozonfreies Loch. Es ist eine starke, jahreszeitliche Ausdünnung der Ozonschicht. Auf Satellitenkarten wird das antarktische Ozonloch häufig als Gebiet mit höchstens 220 Dobson-Einheiten abgegrenzt.

Vier Bedingungen wirken zusammen:

1. Polarwinter: Die Stratosphäre über der Antarktis kühlt sehr stark ab.
2. Polare Stratosphärenwolken: Auf ihren Eisoberflächen werden zunächst wenig reaktive Chlorverbindungen in reaktionsfähige Stoffe umgewandelt.
3. Polarwirbel: Er schließt die kalte Luft weitgehend von ozonreicherer Umgebungsluft ab.
4. Sonnenlicht: Nach der Polarnacht spaltet Licht Chlorverbindungen und setzt viele Chlorradikale frei.

Auf Eispartikeln kann vereinfacht folgende Reaktion stattfinden:

$\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{+}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{O}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{H}\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}$

Nach der Rückkehr des Sonnenlichts wird Chlor gespalten:

$\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{h}\mathrm{\nu }\mathrm{\to }\mathrm{2}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{\cdot }$

Darum erreicht das antarktische Ozonloch meist im September oder Oktober seine größte Ausdehnung.

Datei:Antarctic Ozone Hole Maximum, 1979-2024 (SVS31320 - annual minimum ozone hole area yesColorbar 4ka).webm

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Bodennahes Ozon

Entstehung als Sekundärschadstoff

Bodennahes Ozon wird nicht hauptsächlich direkt ausgestoßen. Es entsteht bei intensiver Sonneneinstrahlung aus Vorläuferstoffen wie Stickoxiden und flüchtigen organischen Verbindungen. Deshalb heißt Ozon ein Sekundärschadstoff.

Ein wichtiger Teilschritt ist die Spaltung von Stickstoffdioxid:

$\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{h}\mathrm{\nu }\mathrm{\to }\mathrm{N}\mathrm{O}\mathrm{+}\mathrm{O}\mathrm{\cdot }$

Anschließend entsteht Ozon:

$\mathrm{O}\mathrm{\cdot }\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{M}\mathrm{\to }{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{M}$

Bei sonnigem, warmem Wetter können sich erhöhte Ozonwerte bilden. Ozon reizt die Atemwege, kann die Lungenfunktion beeinträchtigen und Pflanzengewebe schädigen.

Merksatz	Bedeutung
Ozon oben	schützt vor UV-Strahlung
Ozon unten	belastet Gesundheit und Pflanzen

Schutz der Ozonschicht

Das Montreal-Protokoll

Im Jahr 1987 wurde das Montreal-Protokoll beschlossen. Es verpflichtet die Vertragsparteien, Produktion und Verbrauch zahlreicher ozonschädigender Stoffe schrittweise zu beenden. Das Abkommen gilt als besonders erfolgreiches Beispiel internationaler Umweltpolitik.

Da viele FCKW sehr langlebig sind, reagiert die Ozonschicht langsam. Nach der WMO- und UNEP-Bewertung von 2022 könnte die Ozonmenge bei Fortführung der bestehenden Maßnahmen ungefähr zu den Werten von 1980 zurückkehren: weltweit außerhalb der Polarregionen um 2040, über der Arktis um 2045 und über der Antarktis um 2066. Einzelne Jahre können wegen des Wetters und der Stratosphärentemperatur deutlich davon abweichen.

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Häufige Missverständnisse

1. Ozonloch und Klimawandel: Der Abbau der Ozonschicht und der menschengemachte Klimawandel sind verschiedene Probleme. Sie beeinflussen sich jedoch teilweise gegenseitig.
2. FCKW: Viele FCKW bauen Ozon ab und sind zugleich starke Treibhausgase.
3. Ozonloch: Das Ozonloch ist eine starke Verdünnung und kein leerer Bereich in der Atmosphäre.
4. Ozon: Stratosphärisches und bodennahes Ozon sind chemisch derselbe Stoff. Der Unterschied liegt im Ort und in der Wirkung.

Sicherheit im Chemieunterricht

Ozon darf im Unterricht nicht absichtlich eingeatmet oder durch Geruchsproben geprüft werden. Geräte mit Hochspannung oder energiereicher UV-C-Strahlung können Ozon erzeugen. Schulische Untersuchungen sollten deshalb mit Modellen, Messdaten, Simulationen oder professionell geschlossenen Systemen durchgeführt werden.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Summenformel besitzt Ozon? (O3) (!O2) (!CO2) (!NO2)

Welche Form besitzt das Ozonmolekül? (gewinkelt) (!linear) (!tetraedrisch) (!quadratisch)

Wo befindet sich der größte Teil des atmosphärischen Ozons? (in der Stratosphäre) (!im Erdboden) (!in der Hydrosphäre) (!in der Erdkruste)

Welche Strahlung wird durch die Ozonschicht besonders wirksam abgeschwächt? (UV-B-Strahlung) (!Radiowellen) (!Schallwellen) (!sichtbares rotes Licht)

Welcher Vorgang startet die natürliche Ozonbildung in der Stratosphäre? (Spaltung von Sauerstoffmolekülen durch UV-Licht) (!Verbrennung von Stickstoff) (!Kondensation von Wasserdampf) (!Lösung von Sauerstoff in Wasser)

Welche Teilchen treiben den Ozonabbau aus FCKW besonders an? (Chlorradikale) (!Natriumionen) (!Protonen) (!Wassermoleküle)

Warum wirkt ein Chlorradikal katalytisch? (Es wird im Reaktionszyklus zurückgebildet) (!Es wird vollständig verbraucht) (!Es senkt die Temperatur der Stratosphäre) (!Es wandelt sich dauerhaft in Ozon um)

Wann ist das antarktische Ozonloch gewöhnlich besonders ausgeprägt? (im Frühling der Südhalbkugel) (!im Hochsommer der Nordhalbkugel) (!während jeder Vollmondnacht) (!gleichmäßig während des ganzen Jahres)

Wie entsteht bodennahes Ozon hauptsächlich? (durch photochemische Reaktionen aus Vorläuferstoffen) (!durch Verdunstung aus Meeren) (!durch radioaktiven Zerfall) (!durch Photosynthese in Blättern)

Welches Abkommen begrenzt viele ozonschädigende Stoffe? (das Montreal-Protokoll) (!der Versailler Vertrag) (!das Schengener Abkommen) (!der Zwei-plus-Vier-Vertrag)

Memory

Ozon	O3
Sauerstoff	O2
Stratosphäre	schützender Höhenbereich
Troposphäre	bodennahes Reizgas
FCKW	Quelle von Chlorradikalen
Dobson-Einheit	Maß für Gesamtozon
Montreal-Protokoll	internationale Stoffbegrenzung
UV-B	biologisch wirksame Strahlung

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Photolyse	Spaltung eines Teilchens durch Licht
Mesomerie	Beschreibung durch mehrere Grenzstrukturen
Katalyse	Reaktionsweg mit zurückgebildetem Teilchen
Absorption	Aufnahme von Strahlungsenergie
Sekundärschadstoff	Bildung aus anderen Luftschadstoffen

Kreuzworträtsel

Ozon	Welches Molekül besitzt die Formel O3?
Stratosphäre	In welcher Atmosphärenschicht liegt die Ozonschicht?
Photolyse	Wie heißt die Spaltung eines Stoffes durch Licht?
Mesomerie	Welches Modell beschreibt mehrere Grenzstrukturen?
Montreal	In welcher Stadt wurde das internationale Ozonabkommen beschlossen?
Dobson	Nach wem ist die Einheit der Gesamtozonmenge benannt?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Ozon besitzt die Summenformel . Das Ozonmolekül ist räumlich . Seine gleichwertigen Bindungen lassen sich mithilfe der erklären. Der größte Teil des atmosphärischen Ozons befindet sich in der . Die natürliche Bildung beginnt mit der lichtbedingten Spaltung von . Ozon schützt Lebewesen besonders vor energiereicher . Aus FCKW können in großer Höhe reaktionsfähige freigesetzt werden. Diese Teilchen wirken beim Ozonabbau als . Über der Antarktis fördern polare Stratosphärenwolken die Entstehung des . Bodennahes Ozon ist ein gesundheitsschädlicher . Das wichtigste internationale Abkommen zum Schutz der Ozonschicht heißt .

Offene Aufgaben

Leicht

1. Molekülmodell: Baue aus Knete oder einem Molekülbaukasten ein gewinkeltes Ozonmolekül und kennzeichne die drei Sauerstoffatome.
2. Höhenprofil: Zeichne Troposphäre und Stratosphäre und markiere den Bereich der höchsten Ozonkonzentration.
3. UV-Schutz: Gestalte eine Lernkarte, die UV-A, UV-B und UV-C voneinander unterscheidet.
4. Videozusammenfassung: Fasse einen eingebundenen Film in höchstens acht eigenen Sätzen zusammen.

Standard

1. Reaktionsschema: Stelle die vier Reaktionsschritte des Chapman-Zyklus als beschrifteten Kreislauf dar.
2. Strukturvergleich: Zeichne die beiden Grenzstrukturen von Ozon und erkläre, warum die realen Bindungen gleich lang sind.
3. Ozonwetter: Untersuche öffentliche Ozonmessdaten für eine Sommerwoche und vergleiche Tageszeit, Temperatur und Ozonwert.
4. Informationsplakat: Erstelle ein Plakat mit dem Titel „Gutes Ozon oben – problematisches Ozon unten“.

Schwer

1. Radikalzyklus: Erkläre mit Reaktionsgleichungen, warum Chlor beim Ozonabbau nicht verbraucht wird.
2. Satellitendaten: Vergleiche Karten aus mindestens drei Jahren und trenne langfristigen Trend von kurzfristigen Wettereinflüssen.
3. Politikanalyse: Untersuche, welche naturwissenschaftlichen Erkenntnisse internationale Entscheidungen ermöglichten.
4. Systemmodell: Entwickle ein Wirkungsnetz aus FCKW, Polarwirbel, Stratosphärenwolken, UV-Strahlung, Ozon und biologischen Folgen.

Lernkontrolle

1. Transfer Ozonkonzentration: Erkläre, warum eine dünne Schicht eines Spurengases einen großen Einfluss auf das Leben an der Erdoberfläche haben kann.
2. Transfer Katalyse: Beurteile die Aussage „Wenig Chlor kann nicht viel Ozon zerstören“ mithilfe des Radikalzyklus.
3. Transfer Polarregion: Begründe, warum niedrige Temperaturen und zurückkehrendes Sonnenlicht gemeinsam für das antarktische Ozonloch wichtig sind.
4. Transfer Luftqualität: Erkläre, warum Ozonwerte an einem sonnigen Nachmittag auf dem Land höher sein können als direkt an einer stark befahrenen Straße.
5. Transfer Umweltpolitik: Zeige am Montreal-Protokoll, warum internationale Umweltmaßnahmen erst mit zeitlicher Verzögerung messbare Erfolge zeigen.
6. Transfer Modellkritik: Nenne eine Stärke und eine Grenze des vereinfachten Chapman-Zyklus bei der Beschreibung der realen Stratosphäre.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

1. die Formeln ${\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$ und ${\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}$ unterscheiden kannst,
2. den gewinkelten Bau und die Mesomerie des Ozonmoleküls erklärst,
3. die wichtigsten Schritte des Chapman-Zyklus mit Reaktionsgleichungen darstellst,
4. die Schutzwirkung der stratosphärischen Ozonschicht begründest,
5. den katalytischen Ozonabbau durch Chlor beschreibst,
6. die besonderen Bedingungen über der Antarktis verknüpfst,
7. stratosphärisches und bodennahes Ozon vergleichst,
8. die Bedeutung des Montreal-Protokolls fachlich bewertest,
9. Messdaten, Karten oder Diagramme sachgerecht auswertest,
10. Sicherheitsregeln beim Umgang mit Ozon beachtest.

OERs zum Thema

1. Umweltbundesamt: Ozon
2. WMO und NOAA: Fragen und Antworten zur Ozonschicht
3. UNEP: Wissenschaftliche Bewertung des Ozonabbaus
4. Wikimedia Commons: Freie Medien zu Ozon

Verknüpfte Lernbereiche

Ozon und Ozonschicht - Chemie Sauerstoff Allotropie Lewis-Formel Mesomerie Photochemie Radikal Katalyse Atmosphäre Ultraviolettstrahlung FCKW Ozonloch Montreal-Protokoll Umweltchemie