MILIEU

Inleiding

De aarde wordt sinds de ruimtevaart door astronauten beschreven als een kwetsbaar bolletje waar we met z'n allen op leven. Ze roepen op om er heel voorzichtig mee om te gaan en er goed voor te zorgen.
De aarde is het woonhuis van alle levende wezens die we kennen, inclusief de mens, jij dus ook!
Hou je huis schoon! Verwaarloos het niet; onderhoud het goed; zorg er voor. Je bestaan hangt er van af.
Wij mensen hebben de capaciteiten en verantwoordelijkheden gekregen om dat te doen; we zijn geen redeloze dieren; we hebben verstand gekregen. Gezond Verstand! En dat moet gebaseerd zijn op kennis, kennis van het milieu.
Met dommepraat schieten we niets op.

In deze kleine module kun je wat basiskennis opdoen van de stoffen die zich in ons milieu bevinden. We behandelen alleen maar wat stoffen die voorkomen in ons (leef)milieu en wat eigenschappen daarvan, inclusief enkele stoffen die er eigenlijk niet thuis horen.
Later, in module 16, zullen we het hebben over allerlei reacties die in ons leefmilieu plaats vinden.

Voor de aardigheid volgen we een oude Griekse indeling van alle stoffen op aarde.
Zij dachten dat die waren samengesteld uit vier elementen: aarde, water, lucht en vuur.
Alles wat vast is, stevig, bevat veel 'aarde'.
Alles wat vloeibaar is, bevat veel water.
Alles wat ijl is, moet wel veel lucht bevatten.
En ja, wat je ook ziet is vuur, dat uit de stoffen komt. Brandbare stoffen moeten wel veel vuur bevatten.
Grappig toch? al denkt de moderne wetenschap daar heel anders over.

Omdat onze energievoorziening nog steeds voor het grootste deel uit stoffen gehaald wordt, is er hier ook een hoofdstukje over energie.
Die stoffen kunnen opgaan.
De verbrandingsproducten kunnen de aarde bevuilen en in gevaar brengen.
Moet het anders? Kan het anders?

Inhoud van de module

1. AARDE

1.1 De Samenstelling

1. AARDE

De aardrijkskunde geeft antwoord op de vraag: waar komt de grond vandaan en de aardlagen? Hoe zijn die ontstaan? Wat zijn vulkanen? Waarom is er erosie? Waar komen olie en gassen vandaan en wat is krijt? Enzovoort, enzovoort.
In de scheikunde is de vraag niet zozeer waar de stoffen vandaan komen, maar: wat zijn dat eigenlijk voor stoffen?

1.1 De Samenstelling van de aarde (de aardkorst)

De grond waarop wij leven is hoofdzakelijk samengesteld uit de volgende twee componenten:

Organisch materiaal (humus met allerhande voedingsstoffen)
Anorganisch materiaal; de verschillende steensoorten (bijvoorbeeld zand; ze bevatten mineralen)

De pH-waarde (zuurtegraad) kan variëren: steen van het type 'graniet' heeft een wat lagere pH (is ietsje zuur), terwijl de calciumcarbonaatlagen meer basisch zijn, dus met wat verhoogde pH-waarde.

De bovenste aardlaag, waar we ook de rivieren, zeeën en oceanen, bergen en levende wezens aantreffen, heeft de volgende samenstelling:

ELEMENTEN	PERCENTAGES
Zuurstof	47
Silicium	28
Aluminium	8
IJzer	5
Calcium	3,5
Natrium	3
Kalium	2,5
Magnesium	2
Overige elementen	1

De zeer overheersende aanwezigheid van Zuurstof en Silicium in de grond is te danken aan de zandsoorten die grotendeels zijn opgebouwd uit SiO₂ en de daarvan afgeleide verbindingen.

Opdracht 1
Wat voor grondsoort bevindt zich onder jou huis?

1.2 duurzame aarde

Duurzaam betekent zoiets als: blijvend, betrouwbaar.
Aarde, grond is van levensbelang voor alles wat op aarde groeit. Verlies van grond, zoals erosie, vergiftiging of gewoon opgebruiken van stoffen, biedt weinig goede vooruitzichten.

1.3 (Kunst)mest

De grond waarop wij wonen dient voor vanalles: we lopen erop, we bouwen er onze huizen op, maar vooral: heel veel eten wordt op die grond, in de land- en tuinbouw, gemaakt.

Normaal kunnen planten de groeistoffen en mineralen die ze nodig hebben uit de grond halen, maar de landbouw van de boeren gebruikt zoveel stoffen dat de grond al gauw uitgeput raakt, niet genoeg meer te bieden heeft aan de planten om goed te groeien.
We bemesten de grond dan met extra stoffen. Dat doen we met natuurlijke mest, maar heel vaak met kunstmest (bijvoorbeeld: kaliumfosfaat, ammoniumnitraat, ureum, mineralen met kalium-, magnesium-, natrium- , koper en ijzer-ionen).

Nitraat is belangrijk en bevat het element stikstof. 80 % van de lucht is stikstof, dus je zou zeggen: er is een overvloed aan stikstof. Een probleem is dat het stikstof in de lucht (N₂) niet gemakkelijk reageert (omdat luchtstikstof heel erg stabiel is) en niet gemakkelijk in dat nitraat terecht komt.
Er zijn enkele planten die in staat zijn om direct uit de stikstof in de lucht nitraten te maken.

Het meeste stikstof halen planten uit (kunst)mest, zoals ureum en nitraten.

In de natuur hebben we een zogenaamde stikstofcyclus:

Kunstmest is er niet alleen voor nitraten natuurlijk.
De keuze van kunstmest hangt o.a. af van de gewenste pH in de grond.

Opdracht 2
Stikstof in de lucht reageert moeizaam met welk ander element of met welke verbinding dan ook. Daarom wordt stikstof ook wel een 'inerte' stof genoemd.
Het is dan ook heel bijzonder dat er planten bestaan die in staat zijn het N₂-molekuul open te breken om vervolgens nitraat te vormen.
Dier en mens zijn niet in staat tot deze aktie.
Leg uit waarom stikstofmolekulen zo moeilijk reageren.

2. WATER

Het grootste deel van het water op aarde is zout water, dus zeewater. De oceanen en zeeën bezetten het grootste deel van onze planeet.
Het watermolecuul, H₂O, is een klein, licht en behoorlijk polair molecuul en het is een belangrijke dipool. Dat het een dipoolmolecuul is hangt samen met het feit dat de twee H-atomen een hoek vormen met het O-atoom, terwijl de beide OH-bindingen polair zijn (groot verschil in E).
Dit dipoolkarakter is verantwoordelijk voor de belangrijke karakteristieke eigenschappen van water, zoald het kookpunt en smeltpunt.

Zeewater bevat ongeveer 35 milligram vaste stof per liter:

ELEMENT	HOEVEELHEID mg/l
Chloor	19,2
Natriumionen	10,7
Magnesiumionen	1,3
Sulfiet-, Kalium-, Calcium- en Bromide-ionen	±1,8
Andere elementen	±1,4
TOTAAL:	±35 mg/liter

2.1 De watercyclus

Zouten verdampen niet. Dus regenwater, ook als dat van de (zoute) oceanen komt, neemt geen zout mee; het is "zoet" water en daarom geschikt als drinkwater voor mens, dier en plant. Via rivieren stroomt het water, afkomstig van regen en sneeuw, terug naar de zeeën. Daarbij spoelt ook behoorlijk wat materiaal van het land mee naar de zee, naar de oceanen.
Tot zover is dit normaal en gaat het zo al honderdduizenden jaren. Het wordt verontrustend als de rivieren niet alleen normale, natuurlijke stoffen meespoelen naar zee, maar ook verontreinigende zouten, vervuilers, meestal veroorzaakt door de kunstmest. Nitraten, ammoniumzouten e.d. zijn zeer goed oplosbaar in water en moeilijk weg te filteren.
En er zijn, naast kunstmest, veel meer bronnen van vervuiling van het water: industriëel afval, verkeerde stoffen die via de lucht in het water komen, zoals zwaveldioxide, maar ook plastic en zo.
Om dat allemaal schoon te maken gebruiken we vele methoden, waaronder neerslagvorming, filtratie, behandeling met chloor, e.d. Of we laten de troep gewoon in de oceanen rondslingeren.

Opdracht 3
Bepaalde landbouwgronden krijgen zoveel van een bepaalde kunstmeststof, dat er een probleem ontstaan in het grondwater.
Wat zou dat probleem kunnen zijn?

Opdracht 4
De grond onder een autogarage kan flink veel minerale olie + derivaten bevatten.
Welk gevaar schuilt er in deze situatie?

Opdracht 5
Wat is de belangrijkste eigenschap van het watermolecuul dat verantwoordelijk is voor het vloeibaar zijn van water (terwijl je toch weet dat water een heel kleine en lichte molecuulmassa heeft)?

Antwoord 06-05

2.2 Duurzaam water

Wat is duurzaam water? Die vraag is vooral belangrijk als je denkt aan drinkwater. Er zijn gebieden op aarde waar het steeds droger wordt, waar op den duur de mensen moeten vertrekken. Er is tekort aan (zoet) water.
Ook zijn er gebieden die overstroomd worden door de zee, de oceanen. Dan is er teveel aan (zout) water.
Dat heeft allebei te maken met klimaatverandering. De aarde wordt warmer, de temperaturen worden minder subtiel geregeld doordat er minder ijs is aan de polen, maar ook in de gletchers. De zeespiegel stijgt, regen valt onregelmatiger en vaak in heviger mate, rivieren stromen soms over of staan bijna droog.
Een duurzame aanpak kan alleen met drastische en snelle vermindering van koolzuurgas (als de klimaatdeskundigen gelijk hebben). Maar alvast beginnen met zuinig te zijn met drinkwater en het aanleggen van goede, duurzame reservers lijkt vanzelfsprekend.

3. Lucht

We beperken ons hier tot de 'troposfeer', d.w.z. die laag van de atmosfeer die het dichts bij de aarde is met een dikte van ongeveer 15 km (hoogte).
De aardrijkskunde geeft hierover meer informatie.

3.1 De samenstelling van lucht

De normale samenstelling van schone en droge lucht (dus zonder rekening te houden met de vochtigheid en ook niet met vervuiling), in procenten:

STOF	PERCENTAGE
Stikstof	78
Zuurstof	21
Argon	1
Koolstofdioxide	0,035 (aan het groeien naar 0,04
overige edelgassen	0,003

De lucht kan ook een zeker percentage water (luchtvochtigheid) bevatten. De luchtvochtigheid kan variëren van helemaal droog (0%) tot klam en broeierig (100% verzadigd).

Opdracht 6
De componenten van lucht - in het algemeen - zijn apolaire stoffen.
Is dat toevallig zo, of zou er een oorzaak, een reden voor zijn?

Opdracht 7
Het is mogelijk de componenten van lucht van elkaar te scheiden in een proces van gefractioneerde destillatie.
Dat is alleen mogelijk met vloeibare lucht en je doet dat bij zeer lage temperaturen.
Leg het proces uit.

Ozon en koolzuurgas horen in de atmosfeer thuis. Koolzuurgas is niet giftig, maar mag toch niet teveel toenemen (wat de laatste honderd jaar wel gebeurd is). Dat is riskant.
Ozon zit heel hoog in de atmosfeer (gelukkig, want ozon is giftig voor de mens). Het ozon heeft daarboven wel een belangrijke functie: het tegenhouden van ultraviolet zonlicht. Ultraviolet licht kan levende cellen beschadigen.

Stoffen die van nature niet in de lucht thuishoren zijn meestal luchtvervuilers, zoals (fijn)stof, koolmonoxide, zwaveldioxide, de diverse stikstofoxides, vaak afkomstif van verbranding.

Opdracht 8
Beschrijf een natuurkundige methode om de lucht te zuiveren.

De laatste honderd jaar is de hoeveelheid CO₂ in de lucht toegenomen van minder dan 0,03% tot meer dan 0,03%, wat nooit zo hoog was sinds er mensen leven op aarde.
Als de mens zo doorgaat CO₂ te produceren, zal al gauw de CO₂ hoeveelheid verdubbelen. Dat betekent dat veel meer zonnewarmte door de aarde geabsorbeerd wordt (dus niet meer teruggekaatst naar de ruimte). De aarde warmt op, de zeeën worden voller, zetten uit, laagland stroomt over, het klimaat verandert.

Opdracht 9
Beschrijf mogelijke verschijnselen die samengaan met klimaatverandering.

3.2 Duurzame lucht

We bekijken al die elementen van de Grieken op duurzaamheid. Is de lucht die wij inademen duurzaam, blijvend bruikbaar?
Dat is best wel een goeie vraag. Het industriële tijdperk gaf heel veel troep in de lucht. Wat ademenen mens en dier (en plant) eigenlijk in, behalve zuurstof? Er was zwaveldioxide, stikstofoxiden, fijnstof, alle vormen van stank.
Er werden wetten gemaakt om deze luchtvervuiling aan banden te leggen, het werd er beter op, maar één ding werd nog vergeten: de uitstoot van koolzuurgas werd niet bestreden omdat men die stof niet als giftig zag. CO₂ is ook niet echt giftig, en is maar een heel klein deel van de lucht. En toch blijkt het gevaarlijk om er teveel van te hebben. Omdat het warmte lang vasthoudt, is het een 'broeikasgas', dat de aarde opwarmt.
Zo blijkt lucht niet per se duurzaam te zijn. De samenstelling kan veranderen en dodelijk worden voor het leven op aarde.

4. Vuur

Al in de oudheid ontwikkelden de Grieken (Aristoteles de wijsgeer) een theorie dat alle materie opgebouwd zou zijn uit (vier) elementen: dat zijn: aarde, water, lucht en vuur.
Let wel: toen hadden ze een heel ander begrip van "element" dan onze moderne wetenschap. Maar toch zagen ook zij toen de materie als samengesteld uit die vier elementen. Goed brandbare stof, zoals hout, bevat veel van het element vuur; kijk maar wat er uit komt als je het verbrandt!
Vaste stoffen zullen natuurlijk een groot gehalte hebben aan 'aarde', vloeistoffen bevatten veel van het element 'water', een stof die gaat borrelen bevatte dus veel van het element 'lucht', enzovoort.
Het was de wetenschappelijke manier van denken in de oudheid.

Opdracht 10
Maar weet jij wat vuur is?
Is vuur een stof? Leg je antwoord uit.

Nu weten we dat vuur warmte-energie is die ontstaat tijdens een exotherm chemisch proces, dat op één kleine plek geconcentreerd plaats vindt. Vuur is een soort hoge concentratie aan hitte.
Op zich kun je vuur (dus die energie) niet eens zien met je ogen, maar meestal zitten er in dat vuur kleine deeltjes die door de hitte gaan gloeien, vaak met een wat gelige kleur,soms ook blauwig.

Andere stoffen die bij deze energie betrokken zijn (in het vuur worden gehouden) kunnen - als ze niet zelf ook gaan branden - 'aangeslagen' worden: elektronen van die stof verkrijgen tijdelijk extra energie en geven die energie direct daarop weer af, soms in de vorm van zichtbare lichtstraling, zoals blauw, groen, violet, geel, e.d., afhankelijk van het karakter van de aanwezige atomen. (zie module 01)

4.1 Duurzaam vuur

Omdat we ons nu eenmaal met de Griekse elementen bezighouden (aarde, water, vuur en lucht), en omdat we kijken naar de duurzaamheid van aarde, water en lucht, moeten we ook even dat merkwaardige 'duurzaam vuur' benoemen. Raar natuurlijk, wat is dat voor onzin: duurzaam vuur.
Als er iets is dat niet duurzaam kan zijn, is het wel vuur. Is er iets meer vergankelijk dan vuur? Vuur is er alleen als er iets verbrandt en juist dat moeten we op een duurzame aarde zien te voorkomen.
duurzaam vuur is dus geen vuur.

4.2 Flogiston

In de negentiende eeuw ontstond in Europa een speciale theorie over vuur. Men voerde een nieuw begrip in: "flogiston".
Flogiston zou een zeer vluchtige stof zijn die ontsnapt uit een brandende stof. (Doet toch een beetje denken aan de Grieken!)

Hieronder staat de chemische reactie die werkelijk plaats vindt. Het blijkt dat er niet iets uitkomt bij verbranding, maar dat er juist iets bijkomt.
Hierover later veel meer.

Later werd deze theorie verworpen, want via redeneren en praktisch onderzoek kon het bestaan van de flogiston niet bewezen worden.

Opdracht 11
In die proeven hebben ze het gewicht bepaald van stoffen voor en na hun verbranding.
De gedane waarnemingen, observaties, bevestigen absoluut niet het bestaan van zoiets als 'flogiston'; integendeel.
Probeer de redenering van dat bewijs te geven.
Antwoord 06-11

5. Energie.

Alle levende wezens gebruiken energie, de mens het allermeest. De meeste energie komt van de zon, ook als we fossiele brandstoffen gebruiken, die oorspronkelijk door de zonne-energie zijn gemaakt. Alle stoffen die van planten afkomstig zijn (suiker bijv.) is met lichtenergie (chlorofyl, bladgroen) gemaakt.
Kernenergie komt uit radiactieve reacties. Energie uit wind en uit waterbeweging komt niet direct van de zon, maar misschien wel indirect.
Veel energie komt uit stoffen, uit energierijke stoffen. Dat zijn niet alleen de boven al genoemde fossiele brandstoffen, maar je hebt ook andere actieve stoffen, zoals waterstof, lithium, buskruit.

5.1 Duurzame energie

De moderne wetenschap is inmiddels ver genoeg om te durven beweren dat alle energie die de mens nodig heeft om zich te verwarmen, zich voort te bewegen, enzovoort met gemak uit de zon gehaald kan worden. Fossiele brandstoffen zijn in feite niet echt nodig.
Omdat we inmiddels ongelooflijk veel steenkool, aardolie en aardgas verbrand hebben en nog steeds daarmee doorgaan, loopt de aarde een groot risico:
Niet dat die fossiele brandstoffen opgaan! Dat was wel een hele tijd een grote zorg. Maar inmiddels niet meer. Erger is een stof die bij al die verbrandingen vrijkomt: koolzuurgas, kooldioxide, CO₂. Deze stof heeft de vervelende eigenschap om warmte goed vast te houden en zo de temperatuur van de aarde te verhogen.
Als zo de temperatuur op aarde oploopt, verandert het klimaat overal, krijg te meer regen hier en meer droogte daar en problemen met de drinkwatervoorziening. Ook stijgt de zeespiegel, zodat kwetsbaar land kan onderlopen.

Het zonlicht bereikt de aarde en wordt daar voor een deel opgenomen:

Door groene planten, bossen, weiden, en dergelijke en omgezet, via de fotosynthese, in plantaardige producten,
Door gesteenten, zand en dergelijke, die daardoor vooral warm worden,
Door het water van de oceanen, zeeën en meren, waarbij het water opgewarmd wordt.
Door de luchtdeeltjes die dan heviger gaan bewegen, oftewel warmer worden. Sommige luchtdeeltjes (koolzuurgas bijvoorbeeld) doen dat erger dan andere.

De mogelijkheden om de opwarming van de aarde te bestrijden liggen dus bij een toename van groene planten en bij het voorkomen van deeltjes/moleculen in de lucht die teveel warmte vasthouden.
Daarbij blijft nog buiten beschouwing dat door verbranding van aardgas, olie, hout enzovoort, van binnenuit de temperatuur van de aarde ook omhoog gaat. Op dat vlak worden pogingen gedaan om minder energie op te wekken via verbranding. Minder fossiele brandstoffen gebruiken is dus duurzaam, niet omdat die fossiele brandstoffen opgaan, maar omdat er minder warmte ontstaat.
Zonne-energie is bij die pogingen de meest directe en duurzame manier om zonnestraling, in plaats van in warmte, direct in bruikbare energie om te zetten.

5.2 Witte daken

Veel zonnestraling wordt eenvoudigweg weer teruggestuurd naar de ruimte. Het licht wordt weerkaatst in plaats van opgenomen. Sneeuw en ijslandschappen, het beroemde poolijs ook, witte stranden, witte zandvlaktes, zij weerkaatsen heel veel zonnestraling. Hoe witter een oppervlak, hoe beter de weerkaatsing.
In de strijd tegen de opwarming van de aarde hebben we een middel dat tot nu toe niet of onvoldoende is benut. Bij dezen daarom een pleidooi voor witgekalkte (platte) daken.
Hier ligt een leuke mogelijkheid voor de bestrijders van de opwarming, met name in steden. We moeten onze daken wit maken, in elk geval de platte daken. De schuine daken zijn veelal rood of blauw van kleur. Hoe donkerder, hoe meer zonlicht wordt geabsorbeerd en hoe meer warmte op aarde wordt gevormd. Jammer en te voorkomen.

We zouden de daken kunnen witkalken. Dat bedoel ik letterlijk, dus bewerken met kalk. Dat blijft een hele tijd zitten, lost langzaam in het regenwater op, dus na verloop van tijd moet er opnieuw gekalkt worden. Ik hoop dat er kalk genoeg is, in elk geval is het goedkoop.
En een bijzonderheid is dat kalk basisch is van karakter. Het reageert met zuur; ook met koolzuurgas in de lucht. Die kalk weerkaatst niet alleen in directe zin het zonlicht omdat het wit is, maar het bestrijdt ook nog een de zure gassen in de lucht, waaronder koolzuurgas, omdat het basisch is. Minder koolzuurgas in de lucht betekent minder deeltjes in de lucht die graag het zonlicht vasthouden. Het mes snijdt aan twee kanten, zo niet drie.

Kortom, het kalken van de daken draagt lekker bij aan de strijd tegen de opwarming van de aarde.