7. pH-Wert des Mars

In dieser Lektion befassen wir uns mit dem pH-Wert bestimmter Umgebungen auf dem Mars und damit, wie sich dies auf seine potenzielle Bewohnbarkeit auswirken kann.

Zur Erinnerung: Lehrernotizen, Präsentationen und alle Inhalte können zur Anpassung und Verwendung in Ihrem Klassenzimmer heruntergeladen werden. Vergessen Sie nur nicht, uns als Quelle anzugeben (siehe “Nutzung der Ressourcen”).

Übersicht

Lernergebnisse:

Gliederung der Aktivität: Verstehen, wie der pH-Wert des Mars die Bewohnbarkeit des Roten Planeten beeinflussen kann.

Nach Abschluss dieser Aktivität können die SchülerInnen:

• Verstehen der pH-Skala.
• Beschreiben Sie, wie Faktoren auf dem Mars den pH-Wert beeinflussen können.
• Diskutieren Sie, wie der pH-Wert die Bewohnbarkeit beeinflusst.

Hintergrundmaterial:

Was ist der pH-Wert?

Aber bevor wir auf die Auswirkungen des pH-Werts eingehen, kann uns jemand erklären, was mit pH-Wert gemeint ist?

(Antworten nehmen)Mit dem pH-Wert messen wir den Säuregrad und die Alkalität. Basen und Säuren werden als chemische Gegensätze betrachtet, da die Wirkung einer Säure darin besteht, die Hydroniumkonzentration (H O₃⁺ ) im Wasser zu erhöhen, während Basen diese Konzentration verringern. Eine Reaktion zwischen wässrigen Lösungen einer Säure und einer Base wird als Neutralisation bezeichnet, wobei eine Lösung aus Wasser und einem Salz entsteht, in der sich das Salz in seine einzelnen Ionen aufspaltet. Wenn die wässrige Lösung mit einem bestimmten gelösten Salz gesättigt ist, fällt jedes weitere Salz aus der Lösung aus.

pH-Skala

Der pH-Wert wird in der Regel anhand der pH-Skala gemessen. Verbindungen mit niedrigem pH-Wert sind sauer, was von einer starken Säure bei pH 1 bis zu einer schwachen Säure bei pH 6 reicht. pH 7 gilt als neutral und ein pH-Wert darüber ist basisch, von pH 8 bis 14. 

Diskutieren Sie, wie Ihrer Meinung nach der pH-Wert auf dem Mars sein könnte?

Jetzt, da Sie einige Hintergrundinformationen haben, was würden Sie erwarten, dass der durchschnittliche pH-Wert auf dem Mars ist?

(Antworten nehmen)

Wie können wir den pH-Wert feststellen?

Um dies zu wissen, müssen wir zunächst in der Lage sein, den pH-Wert zu bestimmen. Wie können wir das tun? 

(Antworten nehmen)

pH-Skalen sind oft farbig. Dies ist auf die übliche Verwendung einer Lösung zurückzuführen, die Universalindikator genannt wird und zur Anzeige des pH-Werts ihre Farbe ändert. Bei Anwesenheit einer Säure färbt er sich rot, bei neutralem pH-Wert wird die Lösung grün und bei Anwesenheit einer Base tiefblau/violett. Es gibt jedoch auch andere Indikatoren wie Phenolphthalein, das sich in Gegenwart einer Base rosa färbt und bei einer Säure keine Farbänderung zeigt. pH-Indikatoren finden sich sogar häufig in der Küche – wie der Saft eines Rotkohls, der sich in Gegenwart einer Base blau-grün und bei einer Säure rosa färbt.

Video: Erkennung des pH-Wertes  

Hier haben wir ein Video, das den Farbwechsel einer Lösung bei Verwendung eines Universalindikators zeigt: 

Hintergrundinformationen zum Video: In diesem Video wird eine Lösung von schwach konzentriertem Natriumhydroxid (NaOH) gezeigt. Universalindikatorlösung wird hinzugefügt, die die Lösung violett färbt. Anschließend wird eine 5%ige Essigsäurelösung in Form von handelsüblichem weißem Kochessig zugegeben. Die Lösung mit dem Universalindikator färbt sich rot.

Was ist passiert? Warum?

Bitte diskutieren Sie in Gruppen, was Sie in diesem Video beobachtet haben. Warum, glaubt ihr, ist das passiert?

(Zeit für Gruppendiskussion einplanen)

(Antworten nehmen)

Rio Tinto Fluss

Es gibt auf der Erde Gebiete mit extremen pH-Werten. Ein solcher Ort ist der Fluss Rio Tinto in Spanien. Der pH-Wert des Rio Tinto erreicht in einigen Bereichen des Flusses einen Wert von bis zu 2,3, was zeigt, dass diese Umgebung sehr sauer ist. Dieser niedrige pH-Wert wird durch Wechselwirkungen zwischen Gestein und Mikroorganismen im Fluss verursacht, die als Gesteins-Wasser-Biologie-Wechselwirkungen bekannt sind. Dies führt dazu, dass große Mengen an Verbindungen wie Schwefelsäure, Sulfate und Eisen(III)-Eisen im Flusswasser vorhanden sind. Letzteres verleiht dem Rio Tinto seine charakteristische rote Färbung.

In dieser extremen Umgebung wurden sowohl eukaryotische als auch prokaryotische Organismen beobachtet, die unter den sauren Bedingungen gedeihen. Daher ist der Rio Tinto ein analoges Planetenfeld, das uns Aufschluss über die Aussichten auf Leben in extremen Umgebungen anderswo im Sonnensystem geben kann.

Wie wirkt sich CO₂ auf den pH-Wert aus?

Zurück zum Mars: Die Marsatmosphäre besteht hauptsächlich aus Kohlendioxid, und an den Polen des Mars gibt es große Ablagerungen von festem Kohlendioxid.

Welche Auswirkung hat Kohlendioxid Ihrer Meinung nach auf den pH-Wert?  Bitte diskutieren Sie in Gruppen.

(Zeit für Gruppendiskussion einplanen)

(Antworten nehmen)

Wenn Kohlendioxid in Wasser gelöst wird, entsteht Kohlensäure, die den pH-Wert auf dem Mars senkt. Kohlensäure ist etwas, dem viele Menschen täglich in Form von kohlensäurehaltigen Getränken begegnen. Wenn Sie jemals einen merkwürdigen Nachgeschmack in kohlensäurehaltigem Wasser bemerkt haben, ist dies auf das Vorhandensein von Kohlensäure zurückzuführen. Einer der Gründe, warum bei der Entwicklung von kohlensäurehaltigen Getränken so viel Zucker verwendet wird, besteht darin, genau diesen Geschmack zu überdecken.

Wie könnte sich dies auf die Bewohnbarkeit auswirken?

Wie würde sich Ihrer Meinung nach das Vorhandensein von Kohlensäure auf die mögliche Bewohnbarkeit des Mars auswirken?  Bitte diskutieren Sie in Gruppen.

(Zeit für Gruppendiskussion einplanen)

(Antworten nehmen)

Rückblick

Nach dieser Lektion sollten die Schüler in der Lage sein, diese Fragen zu beantworten: 

• Was zeigt eine pH-Skala an?
• Welche Faktoren auf dem Mars (früher oder heute) könnten den pH-Wert beeinflussen?
• Wie könnte sich der pH-Wert auf die Bewohnbarkeit des Mars auswirken?

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6. Verdampfung und Aggregatzustände der Materie

In dieser Lektion befassen wir uns mit der Entwicklung von Salzschichten und dem Potenzial für ihre Bewohnbarkeit.

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Übersicht

Lernergebnisse:

Gliederung der Aktivität: Verstehen Sie die Entstehung von Salzpfannen durch den Mechanismus der Verdunstung.

Nach Abschluss dieser Aktivität können die SchülerInnen:

• Verdunstung kritisch prüfen
• Zustände der Materie verstehen
• Beschreiben Sie, wie sich Salzgehalt und Austrocknung auf die Bewohnbarkeit einer Umgebung auswirken.

Hintergrundmaterial:

Verdunstung

Zunächst einmal müssen wir uns mit der Verdunstung befassen. Kann jemand erklären, was mit Verdunstung gemeint ist?

(Antworten nehmen)

Verdampfung ist der Prozess, bei dem eine Flüssigkeit von einem flüssigen in einen gasförmigen Zustand übergeht. Dies kann viele Formen annehmen – das häufigste Beispiel ist ein Prozess, der oft als Lufttrocknung bezeichnet wird. Dies geschieht dadurch, dass Flüssigkeitsmoleküle an der Oberfläche in einen Dampf entweichen. Ein weiteres Beispiel ist das Sieden, das auftritt, wenn die Temperatur einer Flüssigkeit ihren Siedepunkt überschreitet (im Falle von Wasser ist dies 100 ⁰C). Wenn Wasser die Temperatur von 100 ⁰C überschreitet, wird es zu Dampf. Entgegen der landläufigen Meinung ist Dampf unsichtbar, und die Wolken, die man über kochendem Wasser sehen kann, sind in Wirklichkeit Dampf oder Wasserdampf, der wieder zu Tröpfchen flüssigen Wassers kondensiert. 

Aggregatzustände der Materie

Wir haben bereits über die Idee der Materiezustände gesprochen, aber kann jemand erklären, was die Materiezustände sind?

(Antworten nehmen)

Ein fester Zustand behält seine Form bei. Seine Moleküle sind viel stärker strukturiert und haben nicht die verfügbare Energie, um sich frei zu bewegen. Bei den meisten Verbindungen ist ihre feste Form die dichteste Form. Es gibt jedoch Ausnahmen von dieser Regel, z. B. Eis, das eine geringere Dichte hat als flüssiges Wasser. Dies ist auf seine molekulare Struktur als Festkörper zurückzuführen. 

Wenn eine Verbindung mehr Energie erhält und schmilzt, haben wir die flüssige Form einer Verbindung. Eine Flüssigkeit ist ein Fluid, das heißt, sie kann fließen und die Form ihres Behälters annehmen. Einige Flüssigkeiten können recht instabil sein, sie verdampfen leicht oder benötigen sogar einen hohen Druck, um sich überhaupt zu bilden, wie z. B. Kohlendioxid. Wenn ein Feststoff wie Kohlendioxid unter normalem Erddruck von einem Feststoff zu einem Gas wird, spricht man von Sublimation. Der letzte Aggregatzustand, der im Rahmen dieser Lektion behandelt wird, ist, wie bereits erwähnt, Gas. Gase sind wie Flüssigkeiten flüssig und füllen je nach ihrer Dichte den gesamten verfügbaren Raum aus.

Makgadikgadi Salzpfannen und Formation

Auf diesem Foto sehen wir die Makgadikgadi-Salzpfannen in Botswana. Dies ist eine riesige Salzfläche, die für die Erforschung der Mikrobiologie in Gebieten mit hohem Salzgehalt sehr wertvoll geworden ist.

Diskutieren Sie, wie diese Umgebung entstanden ist

Diskutieren Sie in Gruppen, wie diese Umgebung entstanden sein könnte.

(Zeit für Gruppendiskussion einplanen)

(Antworten nehmen)

Video: Wie geschieht das? 

Hier haben wir ein Video, das zeigt, wie sich eine Umgebung wie die Makgadikgadi Salzpfannen gebildet haben könnte.

Hintergrundinformationen zum Video: In diesem Video haben wir eine gesättigte Lösung von Natriumchlorid (NaCl). Wenn das Wasser weggekocht wird, wird die Lösung übersättigt. Bei weiterer Verdampfung wird sie übersättigt und das Natriumchlorid fällt aus der Lösung aus. Das Natriumchlorid hat eine viel höhere Dichte als der Wasserdampf und liegt deutlich unter seinem Schmelzpunkt, geschweige denn unter seinem Siedepunkt. Wenn also das Wasser verdampft, bleiben die dichteren festen Verbindungen wie das Natriumchlorid zurück.

Glaubst du, dass dort Leben überleben kann?

Bitte diskutieren Sie in Gruppen, ob Sie glauben, dass Leben in einer Umgebung mit so hohem Salzgehalt überleben kann.

(Zeit für Gruppendiskussion einplanen)

(Antworten nehmen)

Salz- und austrocknungstolerante Bakterien

Austrocknung (ein Zustand extremer Trockenheit) ist eine häufige Belastung, der Bakterien in der natürlichen Umgebung ausgesetzt sind. Daher haben sie eine Vielzahl von Schutzmechanismen entwickelt, um die durch den Wasserverlust verursachten Schäden abzumildern. Einige Arten haben Mechanismen entwickelt, die entweder dazu beitragen, anfällige Zellbestandteile vor Schäden zu schützen, oder die Wasser sequestrieren, um eine Dehydrierung zu vermeiden. Zu diesen Mechanismen gehören die Veränderung der Membranzusammensetzung oder die Modifikation von Lipopolysacchariden, um die Membranen während des Austrocknens zu stabilisieren, sowie die Anhäufung von kompatiblen gelösten Stoffen wie Trehalose, die Zytoplasma- und Membranbestandteile schützen können. Dies hat einige zu der Annahme veranlasst, dass Leben in extremen Umgebungen wie dem hohen Salzgehalt auf dem Mars überleben könnte.

Rückblick

Nach dieser Lektion sollten die Schüler in der Lage sein, diese Fragen zu beantworten: 

• Was sind die verschiedenen Zustände der Materie?
• Können Sie das Konzept der Verdunstung erklären?
• Wie könnten Salz und Austrocknung die Bewohnbarkeit des Mars beeinflussen?

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